KR20140084054A

KR20140084054A - 광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 제어 장치 및 레이저광 조사 장치

Info

Publication number: KR20140084054A
Application number: KR1020147010599A
Authority: KR
Inventors: 나오야 마츠모토; 유우 다키구치; 다로 안도; 요시유키 오타케; 다카시 이노우에; 도모코 오츠; 하루요시 도요다
Original assignee: 하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2014-07-04
Also published as: US20140307299A1; JP2013092687A; US20180161923A1; JP5802109B2; WO2013061961A1; CN103907048A; DE112012004479T5; CN103907048B

Abstract

공간광 변조기를 이용한 레이저광의 집광 조사의 제어에 있어서, 레이저광의 파장수, 각 파장의 값, 및 레이저광의 입사 조건을 취득하고(스텝 S101), 집광점수, 및 각 집광점에서의 집광 위치, 파장, 집광 강도를 설정하고(S104), 각 집광점에 대해서, 레이저광에 부여하는 집광 제어 패턴을 설정한다(S107). 그리고 집광 제어 패턴을 고려하여 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴을 설계한다(S108). 또, 변조 패턴의 설계에 있어서, 1화소에서의 위상값의 영향에 주목한 설계법을 이용함과 아울러, 집광점에서의 집광 상태를 평가할 때에, 집광 제어 패턴의 역 위상 패턴을 더한 전파 함수를 이용한다. 이것에 의해, 레이저광의 집광 제어를 매우 적합하게 실현 가능한 광변조 제어 방법, 프로그램, 장치, 및 레이저광 조사 장치가 실현된다.

Description

광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 제어 장치 및 레이저광 조사 장치{LIGHT MODULATION CONTROL METHOD, CONTROL PROGRAM, CONTROL DEVICE AND LASER BEAM IRRADIATION DEVICE}

본 발명은 공간광(空間光) 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 집광점(集光点)으로의 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 제어 장치, 및 그것을 이용한 레이저광 조사 장치에 관한 것이다.

레이저광을 소정의 집광 조건으로 대상물로 조사하는 레이저광 조사 장치는, 예를 들면 레이저 가공 장치, 혹은 레이저광의 산란, 반사를 관찰하는 레이저 현미경 등의 여러가지 광학 장치로서 이용되고 있다. 또, 이와 같은 레이저광 조사 장치에 있어서, 위상 변조형의 공간광 변조기(SLM：Spatial Light Modulator)를 이용하여, 대상물에 대한 레이저광의 집광 조사 조건을 설정, 제어하는 구성이 있다.

공간광 변조기를 이용한 레이저광 조사 장치에서는, 예를 들면, 수치 계산에 의해 구해진 홀로그램(CGH：Computer Generated Hologram)을 공간광 변조기에 제시함으로써, 조사 대상물에 대한 레이저광의 집광 위치, 집광 강도, 집광 형상 등의 집광 조사 조건을 제어할 수 있다(예를 들면, 특허 문헌 1~4, 비특허 문헌 1~6 참조).

특허 문헌 1: 일본국 특개 2010－58128호 공보 특허 문헌 2: 일본국 특개 2010－75997호 공보 특허 문헌 3: 일본국 특허 제 4300101호 공보 특허 문헌 4: 일본국 특개 2005－84266호 공보

비특허 문헌 1: J. Bengtsson, "Kinoforms designed to produce different fan-out patterns for two wavelengths", Appl. Opt. Vol.37 No.11(1998) pp.2011-2020 비특허 문헌 2: Y. Ogura et al., "Wavelength-multiplexing diffractive phase elements: design, fabrication, and performance evaluation", J. Opt. Soc. Am. A Vol.18 No.5(2001) pp.1082-1092 비특허 문헌 3: N. Yoshikawa et al., "Phase optimization of a kinoform by simulated annealing", Appl. Opt. Vol.33 No.5(1994) pp.863-868 비특허 문헌 4: N. Yoshikawa et al., "Quantized phase optimization of two-dimensional Fourier kinoforms by a genetic algorithm", Opt. Lett. Vol.20 No.7(1995) pp.752-754 비특허 문헌 5: J. Leach et al., "Observation of chromatic effects near a white-light vortex", New Journal of Physics Vol.5(2003) pp.154.1-154.7 비특허 문헌 6: T. Ando et al., "Modepurities of Laguerre-Gaussian beams generated via complex-amplitude modulation using phase-only spatial light modulators", Opt. Lett. Vol.34 No.1(2009) pp.34-36 비특허 문헌 7: S. W. Hell et al., "Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy", Opt. Lett. Vol.19 No.11(1994) pp.780-782 비특허 문헌 8: D. Wildanger et al., "A STED microscope aligned by design", Opt. Express Vol.17 No.18(2009) pp.16100-16110

상기와 같이 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용한 레이저광의 집광 조사에서는, 공간광 변조기에 제시하는 위상 패턴에 의해, 임의의 집광 위치에 임의의 집광 형상으로 레이저광을 조사하는 것이 가능하다. 예를 들면, 레이저광을 소정 위치에 링 모양의 집광 형상으로 조사하고 싶은 경우, 레이저광을 소정 위치에 집광시키는 위상 분포를 주도록 설계된 CGH의 위상 패턴 φ_CGH와, 링 모양으로 집광시키기 위한 집광 제어 패턴 φ_pat를 서로 더한 위상 패턴 φ_SLM

φ_SLM=φ_CGH＋φ_pat

을 공간광 변조기에 제시함으로써, 레이저광의 집광 조사가 실현된다.

그렇지만, 이와 같은 방법에서는, 레이저광의 집광 상태의 제어에 대한 자유도(自由度)가 충분히는 얻어지지 않는 경우가 있다. 그러한 예로서 복수의 파장의 광성분(光成分)을 포함하는 레이저광을 단일의 공간광 변조기에 의해서 대상물에 집광 조사하는 경우, 상기한 방법에서는, 각 파장의 레이저 광성분에 대해서 동일한 집광 제어 패턴이 작용하기 때문에, 예를 들면, 레이저광의 집광 형상을 파장마다 서로 다른 형상으로 설정하는 등의 집광 조건을 실현할 수 없다.

또, 상기 구성에 있어서, 레이저광에 작용하는 위상 패턴에 대해서는, 파장이 다르면 레이저광에 부여되는 위상차가 변화해 버리기 때문에, 파장마다 소망한 집광 제어 패턴으로부터 변화한 위상 패턴이 부여되어 버리게 된다. 이와 같은 집광 제어의 자유도의 문제는, 복수의 파장의 레이저광의 집광 조사 이외의 구성에 있어서도 마찬가지로 생긴다.

본 발명은 이상의 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 레이저광의 집광 제어를 충분한 자유도로 매우 적합하게 실현하는 것이 가능한 광변조 제어 방법, 광변조 제어 프로그램, 광변조 제어 장치, 및 그것을 이용한 레이저광 조사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 의한 광변조 제어 방법은, (1) 레이저광을 입력하고, 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어 방법으로서, (2) 레이저광의 조사 조건으로서, 공간광 변조기로 입력하는 레이저광의 파장의 개수 x_t(x_t는 1 이상의 정수), x_t개의 파장 λ_x(x=1, …, x_t), 및 공간광 변조기로의 각 파장 λ_x의 레이저광의 입사 조건을 취득하는 조사 조건 취득 스텝과, (3) 레이저광의 집광 조건으로서, 공간광 변조기로부터의 레이저광을 집광 조사하는 집광점의 개수 s_t(s_t는 1 이상의 정수), 및 s_t개의 집광점 s(s=1, …, s_t) 각각에 대한 집광 위치, 집광시키는 레이저광의 파장 λ_x, 집광 강도를 설정하는 집광 조건 설정 스텝과, (4) s_t개의 집광점 s 각각에 대해서, 파장 λ_x의 레이저광에 대해서 부여하는 위상 패턴으로서, 그 집광 상태를 제어하는 집광 제어 패턴을 설정하는 제어 패턴 설정 스텝과, (5) 제어 패턴 설정 스텝에서 설정된 집광 제어 패턴을 고려하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴을 설계하는 변조 패턴 설계 스텝을 구비하고, (6) 변조 패턴 설계 스텝은, 공간광 변조기에 있어서 2차원 배열된 복수의 화소를 상정하여, 복수의 화소에 제시하는 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 소망한 상태에 가까워지도록 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 변조 패턴을 설계함과 아울러, 집광점에서의 집광 상태를 평가할 때에, 공간광 변조기의 변조 패턴에 있어서의 화소 j로부터 집광점 s로의 파장 λ_x의 광의 전파(轉搬, propagation)에 대해서, 제어 패턴 설정 스텝에서 설정된 집광 제어 패턴 φ_js _- _pat _{, x}의 역(逆) 위상 패턴을 파동 전파 함수 φ_js _{, x}에 더한 전파 함수 φ_js _{, x}＇

φ_js _{, x}＇=φ_js _{, x}－φ_js _- _pat _{, x}

을 이용하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 의한 광변조 제어 프로그램은, (1) 레이저광을 입력하고, 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어를 컴퓨터에 실행시키기 위한 제어 프로그램으로서, (2) 레이저광의 조사 조건으로서, 공간광 변조기로 입력하는 레이저광의 파장의 개수 x_t(x_t는 1 이상의 정수), x_t개의 파장 λ_x(x=1, …, x_t), 및 공간광 변조기로의 각 파장 λ_x의 레이저광의 입사 조건을 취득하는 조사 조건 취득 처리와, (3) 레이저광의 집광 조건으로서, 공간광 변조기로부터의 레이저광을 집광 조사하는 집광점의 개수 s_t(s_t는 1 이상의 정수), 및 s_t개의 집광점 s(s=1, …, s_t) 각각에 대한 집광 위치, 집광시키는 레이저광의 파장 λ_x, 집광 강도를 설정하는 집광 조건 설정 처리와, (4) s_t개의 집광점 s 각각에 대해서, 파장 λ_x의 레이저광에 대해서 부여하는 위상 패턴으로서, 그 집광 상태를 제어하는 집광 제어 패턴을 설정하는 제어 패턴 설정 처리와, (5) 제어 패턴 설정 처리에서 설정된 집광 제어 패턴을 고려하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴을 설계하는 변조 패턴 설계 처리를 컴퓨터에 실행시키고, (6) 변조 패턴 설계 처리는, 공간광 변조기에 있어서 2차원 배열된 복수의 화소를 상정하여, 복수의 화소에 제시하는 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 소망한 상태에 가까워지도록 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 변조 패턴을 설계함과 아울러, 집광점에서의 집광 상태를 평가할 때에, 공간광 변조기의 변조 패턴에 있어서의 화소 j로부터 집광점 s로의 파장 λ_x의 광의 전파에 대해서, 제어 패턴 설정 처리에서 설정된 집광 제어 패턴 φ_js _- _pat _{, x}의 역 위상 패턴을 파동 전파 함수 φ_js _{, x}에 더한 전파 함수 φ_js _{, x}＇

φ_js _{, x}＇=φ_js _{, x}－φ_js _- _pat _{, x}

을 이용하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 의한 광변조 제어 장치는, (1) 레이저광을 입력하고, 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어 장치로서, (2) 레이저광의 조사 조건으로서, 공간광 변조기로 입력하는 레이저광의 파장의 개수 x_t(x_t는 1 이상의 정수), x_t개의 파장 λ_x(x=1, …, x_t), 및 공간광 변조기로의 각 파장 λ_x의 레이저광의 입사 조건을 취득하는 조사 조건 취득 수단과, (3) 레이저광의 집광 조건으로서, 공간광 변조기로부터의 레이저광을 집광 조사하는 집광점의 개수 s_t(s_t는 1 이상의 정수), 및 s_t개의 집광점 s(s=1, …, s_t) 각각에 대한 집광 위치, 집광시키는 레이저광의 파장 λ_x, 집광 강도를 설정하는 집광 조건 설정 수단과, (4) s_t개의 집광점 s 각각에 대해서, 파장 λ_x의 레이저광에 대해서 부여하는 위상 패턴으로서, 그 집광 상태를 제어하는 집광 제어 패턴을 설정하는 제어 패턴 설정 수단과, (5) 제어 패턴 설정 수단에서 설정된 집광 제어 패턴을 고려하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴을 설계하는 변조 패턴 설계 수단을 구비하고, (6) 변조 패턴 설계 수단은, 공간광 변조기에 있어서 2차원 배열된 복수의 화소를 상정하여, 복수의 화소에 제시하는 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 소망한 상태에 가까워지도록 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 변조 패턴을 설계함과 아울러, 집광점에서의 집광 상태를 평가할 때에, 공간광 변조기의 변조 패턴에 있어서의 화소 j로부터 집광점 s로의 파장 λ_x의 광의 전파에 대해서, 제어 패턴 설정 수단에서 설정된 집광 제어 패턴 φ_{js-pat, x}의 역 위상 패턴을 파동 전파 함수 φ_js _{, x}에 더한 전파 함수 φ_js _{, x}＇

φ_js _{, x}＇=φ_js _{, x}－φ_js _- _pat _{, x}

을 이용하는 것을 특징으로 한다.

상기한 광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 및 제어 장치에 있어서는, 공간광 변조기를 이용한 집광점으로의 레이저광의 집광 조사에 대해서, 레이저광의 파장수 x_t, 파장 λ_x의 값, 및 각 파장 λ_x의 레이저광의 공간광 변조기로의 입사 조건(예를 들면 입사 진폭, 입사 위상)의 정보를 취득함과 아울러, 레이저광의 집광점수 s_t, 및 각 집광점 s에서의 집광 위치, 집광시키는 레이저광의 파장 λ_x, 집광 강도를 포함하는 집광 조건을 설정한다. 그리고 각 집광점 s에 대해서, 파장 λ_x의 레이저광에 대해서 부여하는 집광 제어용의 위상 패턴을 설정하고, 그 집광 제어 패턴을 고려하여 변조 패턴을 설계한다. 이것에 의해, 각 집광점 s에 집광되는 파장 λ_x의 레이저광의 집광 조사 조건을 매우 적합하게 제어할 수 있다.

또한, 변조 패턴의 설계에 대해서, 구체적으로, 공간광 변조기에 있어서 복수의 화소에 의한 화소 구조를 상정한다. 그리고 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점 s에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목한 설계 방법을 이용함과 아울러, 파장 λ_x의 레이저광의 집광 상태의 평가에 있어서, 공간광 변조기의 화소 j로부터 집광점 s로의 전파 함수 φ_js _{, x}를 그대로 이용하는 것이 아니라, 집광 제어 패턴 φ_js _- _pat _{, x}의 역 위상 패턴을 더한 전파 함수 φ_js _{, x}＇를 이용하여 집광 상태를 평가하고 있다.

이와 같은 구성에 의하면, 각 집광점 s, 파장 λ_x에 대해서 설정된 집광 제어 패턴을, 최종적으로 얻어지는 변조 패턴에 확실히 반영시키고, 레이저광의 집광 제어를 충분한 자유도로 매우 적합하게 실현하는 것이 가능해진다. 또한, 공간광 변조기로서, 2차원 배열된 복수의 화소를 가지는 공간광 변조기를 이용하는 경우에는, 그 화소 구조를 그대로, 변조 패턴의 설계에 적용할 수 있다.

본 발명에 의한 레이저광 조사 장치는, (a) x_t개(x_t는 1 이상의 정수)의 파장 λ_x의 레이저광을 공급하는 레이저 광원과, (b) 레이저광을 입력하고, 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기와, (c) 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 s_t개(s_t는 1 이상의 정수)의 집광점 s로의 각 파장 λ_x의 레이저광의 집광 조사를 제어하는 상기 구성의 광변조 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 구성에 의하면, 광변조 제어 장치에 의해서, 각 집광점 s, 파장 λ_x에 대해서 설정된 집광 제어 패턴을 최종적으로 얻어지는 변조 패턴에 확실히 반영시킴으로써, 레이저광의 집광 제어를 충분한 자유도로 매우 적합하게 실현하고, 조사 대상물에서 설정된 집광점 s에 대한 레이저광의 집광 조사, 및 그것에 의한 대상물의 가공, 관찰 등의 조작을 매우 적합하게 실현하는 것이 가능해진다. 이와 같은 레이저광 조사 장치는, 예를 들면 레이저 가공 장치, 레이저 현미경 등으로서 이용할 수 있다. 또한, 공간광 변조기로서는, 2차원 배열된 복수의 화소를 가지고, 복수의 화소 각각에 있어서 레이저광의 위상을 변조하는 구성의 공간광 변조기를 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 제어 장치, 및 그것을 이용한 레이저광 조사 장치에 의하면, 공간광 변조기를 이용한 집광점으로의 레이저광의 집광 조사에 대해서, 레이저광의 파장수, 파장의 값, 및 각 파장의 레이저광의 공간광 변조기로의 입사 조건을 취득하여, 레이저광의 집광점수, 및 각 집광점에서의 집광 위치, 집광시키는 레이저광의 파장, 집광 강도를 설정하고, 각 집광점에 대해서, 집광시키는 파장의 레이저광에 대해서 부여하는 집광 제어 패턴을 설정하고, 그 집광 제어 패턴을 고려하여 변조 패턴을 설계함과 아울러, 변조 패턴의 설계에 있어서, 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목한 설계 방법을 이용하여, 레이저광의 집광 상태의 평가에 있어서, 집광 제어 패턴의 역 위상 패턴을 더한 파동 전파 함수를 이용함으로써, 레이저광의 집광 제어를 충분한 자유도로 매우 적합하게 실현하는 것이 가능해진다.

도 1은 레이저광 조사 장치의 일 실시 형태의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 광변조 제어 장치의 구성의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 광변조 제어 방법의 일 예를 나타내는 순서도이다.
도 4는 변조 패턴의 설계 방법의 일 예를 나타내는 순서도이다.
도 5는 확인 실험에 이용한 레이저광 조사 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 공간광 변조기에 있어서의 집광 제어 패턴의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 레이저광 조사 장치에 의한 레이저광의 집광 제어의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 변조 패턴의 설계 방법의 다른 예를 나타내는 순서도이다.

이하, 도면과 함께 본 발명에 의한 광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 제어 장치, 및 레이저광 조사 장치의 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서는 동일 요소에는 동일 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다. 또, 도면의 치수 비율은, 설명의 것과 반드시 일치하고 있지 않다.

우선, 광변조 제어의 대상이 되는, 공간광 변조기를 포함하는 레이저광 조사 장치의 기본적인 구성에 대해서, 그 구성예와 함께 설명한다. 도 1은 광변조 제어 장치를 포함하는 레이저광 조사 장치의 일 실시 형태의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시 형태에 의한 레이저광 조사 장치(1A)는 조사 대상물(42)에 대해서 레이저광을 집광 조사하는 장치로서, 레이저 광원 유니트(10)와, 공간광 변조기(20)와, 가동 스테이지(40)를 구비하고 있다.

도 1에 도시된 구성에 있어서, 조사 대상물(42)은 X 방향, Y 방향(수평 방향), 및 Z 방향(수직 방향)으로 이동 가능하게 구성된 가동 스테이지(40) 상에 재치(載置)되어 있다. 또, 본 장치(1A)에서는, 이 조사 대상물(42)에 대해서 관찰, 가공 등을 행하기 위한 집광점이 소정 위치에 설정되어, 그 집광점에 대해서 레이저광의 집광 조사가 행해진다.

레이저 광원 유니트(10)는 x_t개(x_t는 1 이상의 정수)의 파장 λ_x의 레이저광( λ_x=λ₁, …, λ_xt)을 공급하는 레이저 광원으로서 기능하고 있다. 본 실시 형태에서는, 레이저광의 파장의 개수는 x_t=2로 설정되어 있다. 또, 이 파장수에 대응하여, 레이저 광원 유니트(10)는 파장 λ₁의 레이저광을 공급하는 제1 레이저 광원(11)과, 파장 λ₂의 레이저광을 공급하는 제2 레이저 광원(12)에 의해서 구성되어 있다.

레이저 광원(11)으로부터의 파장 λ₁의 레이저광은 빔 익스팬더(beam expander)(13)에 의해서 넓혀진 후, 다이크로익 미러(dichroic mirror)(15)를 투과한다. 또, 레이저 광원(12)으로부터의 파장 λ₂의 레이저광은, 빔 익스팬더(14)에 의해서 넓혀져 미러(16)에 의해서 반사된 후, 다이크로익 미러(15)에 의해서 반사된다. 이것에 의해, 다이크로익 미러(15)에 있어서 레이저 광원(11, 12)으로부터의 광빔이 합파(合波)되어, 파장 λ₁, λ₂의 파장 성분을 포함하는 레이저광이 된다. 다이크로익 미러(15)로부터의 레이저광은 프리즘(18)의 제1 반사면(18a)을 통하여, 공간광 변조기(SLM)(20)로 입력된다.

공간광 변조기(20)는 위상 변조형의 공간광 변조기이며, 예를 들면 그 2차원의 변조면의 각 부에 있어서 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력한다. 여기서, 공간광 변조기(20)에 입력되는 레이저광의 위상을 φ_in, 공간광 변조기(20)에 있어서 부여되는 위상값을 φ_SLM이라고 하면, 출력되는 레이저광의 위상φ_out은,

φ_out=φ_SLM＋φ_in

이 된다.

이 공간광 변조기(20)로서는, 바람직하게는, 2차원 배열된 복수의 화소를 가지고, 복수의 화소 각각에 있어서 레이저광의 위상을 변조하는 공간광 변조기가 이용된다. 이와 같은 구성에 있어서, 공간광 변조기(20)에는 예를 들면 CGH 등의 변조 패턴이 제시되고, 이 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 레이저광의 집광 조사가 제어된다. 또, 공간광 변조기(20)는 광변조기 구동 장치(28)를 통하여, 광변조 제어 장치(30)에 의해서 구동 제어되고 있다. 광변조 제어 장치(30)의 구체적인 구성 등에 대해서는 후술한다. 또, 공간광 변조기(20)로서는, 상기한 화소 구조를 가지고 있지 않은 것을 이용해도 좋다.

이 공간광 변조기(20)는 반사형이어도 좋고, 투과형이어도 좋다. 도 1에서는, 공간광 변조기(20)로서 반사형이 도시되어 있다. 또, 공간광 변조기(20)로서는, 굴절률 변화 재료형 SLM(예를 들면 액정을 이용한 것으로는, LCOS(Liquid Crystal on Silicon) 형, LCD(Liquid Crystal Display)), Segment Mirror형 SLM, Continuous Deformable Mirror형 SLM, DOE(Diffractive Optical Element) 등을 들 수 있다. 또한, DOE에는, 이산적으로 위상을 표현한 것, 혹은 후술하는 방법을 이용하여 패턴을 설계하여, 스무딩 등에 의해 연속적인 패턴으로 변환한 것이 포함된다.

변조 패턴으로서 설계된 CGH는, 공간광 변조기(20)의 구성에 따라서 예를 들면, 전자빔 노광과 에칭을 이용하여 DOE에 의해 표현하는, 혹은, 위상 패턴을 전압 분포로 바꾸어 화소 구조를 가지는 SLM에 표시하는 것이 행해진다. 또한, 복수 파장의 레이저광을 1개의 SLM로 변조하는 경우에는, 종래 예에서는, 고정 패턴으로서 이용할 수 있는 DOE가 주로 이용되고 있다.

공간광 변조기(20)에서 소정의 패턴으로 위상 변조되어 출력된 파장 λ₁, λ₂의 파장 성분을 포함하는 레이저광은, 프리즘(18)의 제2 반사면(18b)에서 반사되어, 미러(21), 및 렌즈(22, 23)로 구성되는 4f 광학계에 의해서, 단일의 렌즈 또는 복수의 렌즈로 이루어진 대물 렌즈(25)로 전파된다. 그리고 이 대물 렌즈(25)에 의해서, 스테이지(40)상의 조사 대상물(42)의 표면 또는 내부에 설정된 단일 또는 복수의 집광점에 레이저광이 집광 조사된다.

또, 본 실시 형태의 레이저광 조사 장치(1A)는 상기 구성에 더하여, 검출부(45)와, 렌즈(46)와, 다이크로익 미러(47)를 추가로 구비하고 있다. 다이크로익 미러(47)는 레이저광 조사 광학계에 있어서, 4f 광학계를 구성하고 있는 렌즈(23)와, 대물 렌즈(25) 사이에 마련되어 있다. 또, 다이크로익 미러(47)에서 반사된 조사 대상물(42)로부터의 광은, 렌즈(46)를 통하여 검출부(45)에 입사하는 구성으로 되어 있다.

이것에 의해, 도 1의 레이저광 조사 장치(1A)는 조사 대상물(42)인 관찰 시료에 레이저광을 조사하고, 검출부(45)에 의해서 시료로부터의 반사광, 산란광, 혹은 형광(螢光) 등의 관찰을 행하는 레이저 스캐닝 현미경으로서 구성되어 있다. 또한, 시료에 대한 레이저 스캔에 대해서는, 도 1에서는 가동 스테이지(40)에 의해서 조사 대상물(42)을 이동시키는 구성으로 하고 있지만, 예를 들면 이 스테이지를 고정으로 하고, 광학계측으로 가동 기구, 가르바노 미러 등을 마련하는 구성으로 해도 좋다. 또, 레이저 광원(11, 12)으로서는, 예를 들면 펨토초 레이저 광원 등, 펄스 레이저광을 공급하는 펄스 레이저 광원을 이용하는 것이 바람직하다. 또, 레이저 광원(11, 12)으로서, CW(Continuous Wave) 레이저 광원을 이용해도 좋다.

또, 레이저광 조사 장치(1A)에 있어서의 광학계의 구성에 있어서는, 구체적으로는 도 1에 도시된 구성에 한정하지 않고, 여러가지 구성을 이용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 도 1에서는, 빔 익스팬더(13, 14)에 의해서 레이저광을 넓히는 구성으로 하고 있지만, 스페이셜 필터(spatial filter)와 콜리메이터 렌즈의 조합(組合)을 이용하는 구성으로 해도 좋다. 또, 구동 장치(28)에 대해서는, 공간광 변조기(20)와 일체로 마련되는 구성으로 해도 좋다. 또, 렌즈(22, 23)에 의한 4f 광학계에 대해서는, 일반적으로는, 복수의 렌즈로 구성된 양측 텔레센트릭 광학계를 이용하는 것이 바람직하다.

또, 레이저광의 공급에 이용되는 레이저 광원 유니트(10)에 대해서는, 각각 파장 λ₁, λ₂의 레이저광을 출력하는 레이저 광원(11, 12)에 의한 구성을 예시하고 있지만, 레이저 광원의 구성에 대해서는, 구체적으로는 여러가지 구성을 이용해도 좋다. 예를 들면, 레이저광의 파장수 x_t에 대해서는, 3이상으로 설정해도 좋다. 또, 레이저광을 단일 파장(x_t=1)으로서, 단일의 레이저 광원을 이용해도 좋다.

또, 상기 실시 형태에서는, 세포 관찰 등에 이용되는 레이저 스캐닝 현미경의 구성을 예시하고 있지만, 본 레이저광 조사 장치는 레이저 스캐닝 현미경 등의 레이저 현미경 이외에도, 예를 들면, 조사 대상물(42)에 대한 레이저광의 집광 조사에 의해서 대상물(42)의 내부의 레이저 가공을 행하는 레이저 가공 장치 등, 여러가지 장치에 적용하는 것이 가능하다. 또, 레이저광의 집광 조사에 의해서 대상물(42)의 가공을 행하는 경우, 그 예로서는, 유리의 내부 가공에 의한 광 집적회로의 제작 등이 있지만, 대상물(42)의 재질에 대해서는, 유리 매체로 한정하지 않고, 예를 들면 실리콘 내부나 SiC 등 여러가지 재질을 가공 대상으로 하는 것이 가능하다. 상기 구성에서는, 단일 파장으로의 레이저 가공, 혹은 복수 파장 동시로의 레이저 가공 등이 실현 가능하다.

도 1에 도시된 레이저광 조사 장치(1A)에서는, 2파장 λ₁, λ₂의 광성분을 포함하는 레이저광을, 단일의 공간광 변조기(20)를 통하여 대상물(42)에 집광 조사하는 구성을 예시하고 있다. 이와 같은 구성에 있어서는, 종래의 광변조 제어 방법에서는, 레이저광의 각 파장 성분에 대해서 공간광 변조기(20)에 제시된 동일한 집광 제어 패턴이 작용하기 때문에, 예를 들면, 레이저광의 집광 형상을 파장마다 서로 다른 형상으로 설정할 수 없는 등, 집광 제어의 자유도가 충분히 얻어지지 않는 경우가 있다. 또, 이와 같은 집광 제어의 자유도의 문제는, 복수의 파장의 레이저광의 집광 조사 이외의 구성에 있어서도 생기는 경우가 있다.

이것에 대해서, 도 1의 레이저광 조사 장치(1A)는, 구동 장치(28)를 통하여 공간광 변조기(20)에 제시하는 변조 패턴의 CGH를, 광변조 제어 장치(30)에 있어서 적절히 설정함으로써, 집광 제어의 자유도를 크게 하여, 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 조사 조건을 매우 적합하게 제어하는 것이다. 또, 본 실시 형태에 의한 레이저광 조사 장치(1A) 및 광변조 제어 장치(30)에 의하면, 후술하는 것처럼, 복수의 파장의 레이저광의 집광 조사를 행하는 경우에도, 각 파장의 레이저광의 집광 조사 조건의 제어를 매우 적합하게 실현하는 것이 가능하다.

도 2는, 도 1에 도시된 레이저광 조사 장치(1A)에 적용되는, 광변조 제어 장치(30)의 구성의 일 예를 나타내는 블록도이다. 본 구성예에 의한 광변조 제어 장치(30)는 조사 조건 취득부(31)와, 집광 조건 설정부(32)와, 집광 제어 패턴 설정부(33)와, 변조 패턴 설계부(34)와, 광변조기 구동 제어부(35)를 가지고 구성되어 있다. 또한, 이와 같은 광변조 제어 장치(30)는, 예를 들면 컴퓨터에 의해서 구성할 수 있다. 또, 이 제어 장치(30)에는, 광변조 제어에 대해서 필요한 정보, 지시 등의 입력에 이용되는 입력 장치(37), 및 조작자에 대한 정보의 표시에 이용되는 표시 장치(38)가 접속되어 있다.

조사 조건 취득부(31)는 조사 대상물(42)에 대한 레이저광의 조사 조건에 관련된 정보를 취득하는 조사 조건 취득 수단이다. 구체적으로는, 조사 조건 취득부(31)는 레이저광의 조사 조건으로서, 공간광 변조기(20)로 입력되는 레이저광의 파장의 개수 x_t(도 1에 도시된 예에서는 x_t=2), x_t개의 파장 λ_x(x=1, …, x_t)의 각각의 값, 및 공간광 변조기(20)로의 각 파장 λ_x의 레이저광의 입사 조건(예를 들면 입사 강도 분포, 입사 위상 분포)을 취득한다(조사 조건 취득 스텝). 파장수 x_t는 1 이상의 정수로서 설정되고, 또 복수 파장 동시 조사의 경우에는 2 이상의 정수로서 설정된다.

집광 조건 설정부(32)는 조사 대상물(42)에 대한 레이저광의 집광 조건을 설정하는 집광 조건 설정 수단이다. 구체적으로는, 집광 조건 설정부(32)는 레이저광의 집광 조건으로서, 공간광 변조기(20)로부터 출력된 레이저광을 집광 조사하는 집광점의 개수 s_t, 및 s_t개의 집광점 s(s=1, …, s_t) 각각에 대한 집광 위치, 집광시키는 레이저광의 파장 λ_x, 집광 강도를 설정한다(집광 조건 설정 스텝). 집광점수 s_t는 1 이상의 정수로서 설정되고, 또 다점 동시 조사의 경우에는 2 이상의 정수로서 설정된다.

또한, 취득부(31)에 의한 조사 조건의 취득, 및 설정부(32)에 의한 집광 조건의 설정은, 광변조 제어 장치(30)에 미리 준비된 정보, 입력 장치(37)로부터 입력되는 정보, 혹은 외부 장치로부터 공급되는 정보 등에 기초하여, 자동으로, 혹은 조작자에 의해 수동으로 행해진다.

제어 패턴 설정부(33)는 s_t개의 집광점 s 각각에 대해서, 파장 λ_x의 레이저광에 대해서 부여하는 위상 패턴으로서, 그 집광 상태를 제어하는 집광 제어 패턴을 설정하는 제어 패턴 설정 수단이다. 여기에서는, 예를 들면, 집광점 s에 있어서 파장 λ_x의 레이저광을 소망한 집광 패턴(강도 분포 패턴)으로 집광 조사하고 싶은 경우, 그 집광 패턴에 대응하는 위상 패턴을 설정한다(제어 패턴 설정 스텝). 이 집광 제어용의 위상 패턴의 설정은, 각 집광점, 각 파장에 대해서 필요에 따라서 행해진다.

변조 패턴 설계부(34)는 제어 패턴 설정부(33)에서 설정된 집광 제어 패턴을 고려하여, 공간광 변조기(20)에 제시하는 변조 패턴이 되는 CGH를 설계하는 변조 패턴 설계 수단이다. 구체적으로는, 변조 패턴 설계부(34)는 취득부(31)에서 취득된 조사 조건, 설정부(32)에서 설정된 집광 조건, 및 설정부(33)에서 설정된 집광 제어 패턴을 참조하여, 그들 조건에 기초하여, 소망한 집광점으로 소망한 파장의 레이저광을 집광 조사시키는 변조 패턴을 설계한다(변조 패턴 설계 스텝).

특히, 본 실시 형태에 있어서의 변조 패턴 설계부(34)에서는, 공간광 변조기(20)에 제시하는 변조 패턴의 설계에 있어서, 공간광 변조기(20)에 대해서 2차원 배열된 복수의 화소를 상정함과 아울러, 복수의 화소에 제시하는 변조 패턴의 1화소(공간광 변조기(20)에 있어서 상정된 1화소, 공간광 변조기(20)가 2차원 배열의 복수의 화소에 의한 화소 구조를 가지는 경우에는, 그 1화소에 대응)에서의 위상값의 변경이 집광점 s에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목한 설계 방법을 이용한다. 그리고 그 집광 상태가 소망한 상태에 가까워지도록 1화소의 위상값을 변경함과 아울러, 그러한 위상값의 변경 조작을 변조 패턴의 모든 화소(적어도 광이 입사되는 모든 화소)에 대해서 행함으로써 최적인 변조 패턴을 설계한다.

또, 이 변조 패턴 설계부(34)에서는, 상기한 각 화소에서의 위상값의 변경 조작에 있어서, 집광점에서의 레이저광의 집광 상태를 평가할 때에, 공간광 변조기(20)의 변조 패턴에 있어서의 화소 j로부터 집광점 s로의 파장 λ_x의 광의 전파에 대해서, 파동 전파 함수 φ_js _{, x}를 그대로 이용하는 것이 아니라, 전파 함수 φ_js _{, x}에 대해서, 제어 패턴 설정부(33)에서 설정된 집광 제어 패턴 φ_js _- _pat _{, x}의 역 위상 패턴을 더한, 하기 식으로 주어지는 전파 함수 φ_js _{, x}＇

φ_js _{, x}＇=φ_js _{, x}－φ_js _- _pat _{, x}

를 이용한다. 이것에 의해, 각 집광점, 각 파장에 대해서 설정된 집광 제어 패턴이, 변조 패턴, 및 그것에 의한 레이저광의 집광 조사 조건에 반영된다.

광변조기 구동 제어부(35)는 구동 장치(28)를 통하여 공간광 변조기(20)를 구동 제어하여, 변조 패턴 설계부(34)에 의해서 설계된 변조 패턴을 공간광 변조기(20)의 복수의 화소에 제시하는 구동 제어 수단이다. 이와 같은 구동 제어부(35)는, 광변조 제어 장치(30)가 레이저광 조사 장치(1A)에 포함되어 있는 경우에, 필요에 따라서 마련된다.

도 2에 도시된 광변조 제어 장치(30)에 있어서 실행되는 제어 방법에 대응하는 처리는, 광변조 제어를 컴퓨터에 실행시키기 위한 광변조 제어 프로그램에 의해서 실현하는 것이 가능하다. 예를 들면, 광변조 제어 장치(30)는 광변조 제어의 처리에 필요한 각 소프트웨어 프로그램을 동작시키는 CPU와, 상기 소프트웨어 프로그램 등이 기억되는 ROM과, 프로그램 실행중에 일시적으로 데이터가 기억되는 RAM에 의해서 구성할 수 있다. 이와 같은 구성에 있어서, CPU에 의해서 소정의 제어 프로그램을 실행함으로써, 상기한 광변조 제어 장치(30)를 실현할 수 있다.

또, 공간광 변조기(20)를 이용한 광변조 제어, 특히 공간광 변조기(20)에 제시하는 변조 패턴의 설계를 위한 각 처리를 CPU에 의해서 실행시키기 위한 상기 프로그램은, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록하여 배포하는 것이 가능하다. 이와 같은 기록 매체에는, 예를 들면, 하드 디스크 및 플렉서블 디스크 등의 자기 매체, CD－ROM 및 DVD－ROM 등의 광학 매체, 광자기 디스크 등의 자기 광학 매체, 혹은 프로그램 명령을 실행 또는 격납하도록 특별히 배치된, 예를 들면 RAM, ROM, 및 반도체 불휘발성 메모리 등의 하드웨어 디바이스 등이 포함된다.

본 실시 형태에 의한 광변조 제어 방법, 광변조 제어 프로그램, 광변조 제어 장치(30) 및 레이저광 조사 장치(1A)의 효과에 대해서 설명한다.

도 1, 도 2에 도시된 광변조 제어 방법, 제어 프로그램 및 제어 장치(30)에 있어서는, 공간광 변조기(20)를 이용한 레이저광의 집광 조사에 대해서, 레이저광의 파장수 x_t, x_t개의 파장 λ_x 각각의 값, 및 각 파장 λ_x의 레이저광의 공간광 변조기(20)로의 입사 조건(예를 들면 입사 진폭, 입사 위상)의 정보를 취득함과 아울러, 레이저광의 집광점수 s_t, 및 각 집광점 s에서의 집광 위치, 집광시키는 레이저광의 파장 λ_x, 집광 강도를 포함하는 집광 조건을 설정한다. 그리고 제어 패턴 설정부(33)에 있어서, 각 집광점 s에 대해서, 파장 λ_x의 레이저광에 대해서 부여하는 집광 제어용의 위상 패턴을 설정함과 아울러, 변조 패턴 설계부(34)에 있어서, 그 집광 제어 패턴을 고려하여 변조 패턴을 설계한다. 이것에 의해, 각 집광점 s에 집광되는 파장 λ_x의 레이저광의 집광 조사 조건을, 각각 매우 적합하게 제어할 수 있다.

또한, 이와 같은 구성에서의 변조 패턴의 설계에 대해서, 구체적으로, 공간광 변조기(20)에 있어서, 2차원 배열된 복수의 화소에 의한 화소 구조를 상정한다. 그리고 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점 s에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목한 설계 방법을 이용함과 아울러, 파장 λ_x의 레이저광의 집광 상태의 평가에 있어서, 공간광 변조기의 화소 j로부터 집광점 s로의 전파 함수 φ_js _{, x}를 그대로 이용하는 것이 아니라, 집광 제어 패턴 φ_js _- _pat _{, x}의 역 위상 패턴을 더한 전파 함수 φ_js _{, x}＇를 이용하여 집광 상태를 평가하고 있다.

이와 같은 구성에 의하면, 각 집광점 s, 파장 λ_x에 대해서 설정된 집광 제어 패턴을, 최종적으로 얻어지는 변조 패턴에 각각 확실히 반영시키고, 레이저광의 집광 제어를 충분한 자유도로 매우 적합하게 실현하는 것이 가능해진다. 또한, 공간광 변조기(20)에 있어서 상정되는 화소 구조에 대해서는, 공간광 변조기(20)로서, 2차원 배열된 복수의 화소를 가지는 공간광 변조기를 이용하는 경우에는, 그 화소 구조를 그대로, 변조 패턴의 설계에 적용할 수 있다.

또, 도 1에 도시된 레이저광 조사 장치(1A)에서는, x_t개의 파장 λ_x의 레이저광을 공급하는 레이저 광원으로서 기능하는 레이저 광원 유니트(10)와, 위상 변조형의 공간광 변조기(20)와, 상기 구성의 광변조 제어 장치(30)를 이용하여 레이저광 조사 장치(1A)를 구성하고 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 제어 장치(30)에 의해서, 각 집광점 s, 파장 λ_x에 대해서 설정된 집광 제어 패턴을 최종적으로 얻어지는 변조 패턴에 확실히 반영시킴으로써, 레이저광의 집광 제어를 충분한 자유도로 매우 적합하게 실현하고, 조사 대상물(42)에서 설정된 집광점 s에 대한 레이저광의 집광 조사, 및 그것에 따른 대상물(42)의 가공, 관찰 등의 조작을 매우 적합하게 실현하는 것이 가능해진다. 또, 이와 같은 레이저광 조사 장치는, 상기한 것처럼, 예를 들면 레이저 가공 장치, 레이저 현미경 등으로서 이용할 수 있다.

여기서, 집광 제어 패턴의 역 위상 패턴의 전파 함수로의 적용에 대해서 간단하게 설명한다. 공간광 변조기(SLM) 상의 어느 화소 j에 도달한 레이저광은, SLM에 의해 위상 변조되고, 추가로 전파되어, 어느 집광점 s에 도달한다. 화소 j로부터 집광점 s로의 광의 전파를 나타내는 파동 전파 함수에 집광 제어 패턴의 역 위상 패턴을 부여했을 경우, 이상적인 전파와는 다른 전파가 되기 때문에, 그대로는 소망한 집광점 s에 광은 도달하지 않는다.

소망한 집광점 s에 광을 도달시키기 위해서는, 전파 함수에 부여된 집광 제어 패턴의 역 위상 패턴을 없애지 않으면 안 된다. 이 때문에, 역 위상 패턴을 없애는 집광 제어 패턴이 주어지게 된다. 이것에 의해, CGH의 설계시에, 전파 함수에 일부러 집광 제어 패턴의 역 위상 패턴을 더함으로써, 집광 제어 패턴이 삽입된 CGH를 설계할 수 있다.

또, 이와 같은 구성에 있어서, 예를 들면 복수 파장의 레이저광의 집광 제어를 생각하면, 파장마다 집광 제어 패턴을 바꾸면, 역 위상 패턴이 부여되는 전파 함수가 파장마다 서로 다르게 된다. 따라서 집광 제어 패턴의 역 위상 패턴을 준 전파 함수를 이용한 파장의 광에는, 그것을 없애는 집광 제어 패턴이 더해지고, 한편, 예를 들면 이상적인 전파 함수를 이용한 파장의 광은, 위상 패턴의 영향을 받지 않고 집광된다.

상기 구성의 광변조 제어 장치(30), 및 레이저광 조사 장치(1A)에 있어서, 취득부(31)에서의 조사 조건의 취득에 대해서는, 레이저광의 파장의 개수 x_t를 복수 개로서 설정하는 구성을 이용할 수 있다. 상기한 것처럼, 집광 제어 패턴의 역 위상 패턴을 더한 전파 함수 φ_js _{, x}＇를 이용하여 변조 패턴을 설계하는 방법은, 이와 같이 복수의 파장 λ₁, λ₂, …, λ_xt의 광성분을 포함하는 레이저광의 집광 조사 조건의 제어에 있어서, 파장마다 집광 조사 조건을 제어할 수 있는 등의 점에서 특히 유효하다.

또, 상기와 같이 복수의 파장 성분을 포함하는 레이저광의 집광 조사를 행하는 경우, 설계부(34)에서의 변조 패턴의 설계에 있어서, 공간광 변조기(20)에 있어서의 굴절률의 파장 분산을 고려하여 변조 패턴을 설계하는 구성을 이용할 수 있다. 이것에 의해, 각 집광점 s에 있어서의 파장 λ_x의 레이저광의 집광 조사 조건을, 서로 다른 각 파장 λ_x에 대해서, 보다 정밀도 좋게 제어할 수 있다.

또, 설계부(34)에서의 변조 패턴의 설계에 대해서는, 공간광 변조기(20)의 화소 j로의 파장 λ_x의 레이저광의 입사 진폭을 A_j _－ _in _{, x}, 위상을 φ_j- _in _{, x}, 화소 j에서의 파장 λ_x의 레이저광에 대한 위상값을 φ_{j, x}로서, 하기 식

U_s _{, x}=A_s _{, x}exp(iφ_{s, x})

=Σ_jA_j _－ _in _{, x}exp(iφ_js _{, x}＇)×exp(i(φ_{j, x}＋φ_j- _in _{, x}))

에 의해서, 집광점 s에 있어서의 파장 λ_x의 레이저광의 집광 상태를 나타내는 복소(複素) 진폭 U_s _{, x}를 구하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 집광점 s에 있어서의 각 파장 λ_x의 레이저광의 집광 상태를 매우 적합하게 평가할 수 있다.

여기서, 화소 j로의 파장 λ_x의 레이저광의 입사 진폭 A_j _－ _in _{, x}는, 입사 강도 I_j－ _in _{, x}에 대해서,

I_j _－ _in _{, x}=｜A_j _－ _in _{, x}｜²

의 관계에 있다. 또, 복소 진폭 U_s _{, x}에 있어서, A_s _{, x}는 진폭, φ_{s, x}는 위상이다. 또, 공간광 변조기(20)에 입사하는 레이저광이 평면파인 경우에는, 입사 위상φ_j- _in _{, x}는 무시할 수 있다.

또, 상기의 식에 의해, 전파 후의 집광점 s에 있어서의 복소 진폭 U_s _{, x}는, 각 화소 j의 복소 진폭에 전파 함수를 곱한 것의 총합이며, 그 진폭 A_s _{, x}는 변조 패턴의 1화소마다 독립적으로 영향을 받는다고 생각할 수 있다. 즉, SLM에 제시되는 변조 패턴의 1화소 마다의 위상값을 변화시킴으로써, 진폭 A_s _{, x}를 변화시킬 수 있다. 이것을 이용하면, 상술한 1화소에서의 위상값의 변경의 영향에 주목한 설계 방법에 의해, 변조 패턴에 이용하는 CGH를 매우 적합하게 설계할 수 있다.

변조 패턴의 설계에 있어서의 구체적인 구성에 대해서는, 변조 패턴의 화소 j에서의 위상값의 변경에 있어서, 집광점 s에 있어서의 파장 λ_x의 레이저광의 집광 상태를 나타내는 복소 진폭의 위상φ_{s, x}, 전파 함수 φ_js _{, x}＇, 화소 j에서의 변경전의 위상값 φ_{j, x}, 및 레이저광의 입사 위상φ_j- _in _{, x}에 기초하여 해석적으로 구해진 값에 의해서, 위상값을 변경하는 구성을 이용할 수 있다. 이와 같이 해석적으로 위상값을 갱신하는 설계 방법으로서는, 예를 들면 ORA(Optimal Rotation Angle) 법이 있다.

혹은, 변조 패턴의 설계에 대해서, 변조 패턴의 화소 j에서의 위상값의 변경에 있어서, 힐 클라이밍 법(hill-climbing method), 시뮬레이트 어널링 방법(simulated annealing method), 또는 유전적 알고리즘 중 어느 방법을 이용하여 탐색으로 구해진 값에 의해서, 위상값을 변경하는 구성을 이용해도 좋다. 여기서, 유전적 알고리즘에서는, 어느 1화소를 선택하여 그 화소의 값을 변경하는 돌연변이, 또 2 화소를 선택하여 그 화소의 값을 교환하는 교차 등의 조작이 행해지지만, 상기한 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목한 설계 방법은, 이와 같은 조작을 행하는 방법을 포함하는 것으로 한다. 또한, 변조 패턴의 설계 수법에 대해서는, 구체적으로는 후술한다.

또, 도 2에 도시된 광변조 제어 장치(30)에 있어서는, 변조 패턴을 설계하기 위한 구성에 더하여, 공간광 변조기(20)를 구동 제어하고, 설계부(34)에 의해서 설계된 변조 패턴을 공간광 변조기(20)에 제시하는 광변조기 구동 제어부(35)를 마련하고 있다. 이와 같은 구성은, 도 1에 도시된 것처럼, 제어 장치(30)를 레이저광 조사 장치(1A)에 조립한 형태로 이용하는 경우에 유효하다. 또, 이와 같은 구동 제어부(35)에 대해서는, 광변조 제어 장치(30)와는 별개 장치로서 마련되는 구성으로 해도 좋다.

또, 예를 들면 레이저광 조사에 의해서 유리 매체를 가공하여 광 집적회로를 제작하는 것과 같은 경우에는, 1회 또는 복수 회의 레이저광 조사 후에 새로운 1매 또는 복수 매의 CGH의 설계를 행하여, 공간광 변조기(20)에 제시하는 변조 패턴을 전환하여도 좋다. 혹은, 가공 내용이 정해져 있는 경우에는, 레이저 가공에 필요한 복수의 변조 패턴을 미리 설계해 두어도 좋다. 또, DOE를 단독으로 이용하는 경우에는, DOE는 정적(靜的)인 패턴이므로 구동장치는 없어도 좋다. 또, 복수 개의 DOE를 이용하여 동적으로 패턴의 전환을 행하는 경우에는, 구동장치 대신에 전환 장치가 이용된다.

또한, 도 1에 도시된 레이저광 조사 장치(1A)에서는, 상기한 것처럼 레이저 스캐닝 현미경의 구성을 예시하고 있다. 이와 같은 레이저 현미경은, 예를 들면, 2 이상의 파장의 레이저 광원을 이용하는 STED(stimulated emission depletion) 현미경, 혹은 PALM(photoactivated localization microscopy) 현미경 등의 회절 한계를 넘게 되는 초해상도 현미경에 매우 적합하게 적용할 수 있다.

예를 들면, STED 현미경에서는, 형광 분자를 기저(基底) 상태로부터 특정의 여기(勵起) 상태로 천이시키는 여기광원과, 특정의 여기 상태로부터 타 준위(準位)로 천이시키는 제어광원의 2파장의 광원이 이용된다(특허 문헌 4, 비특허 문헌 7, 8 참조). 또, 이 경우, 제어광원으로부터의 제어 레이저광은, 집광의 내부의 암부(暗部)의 직경이 여기광의 회절 한계보다도 작아지는 링 모양의 집광 형상이 되도록 집광 조사된다. 이와 같은 구성에서는, 제어광의 링 모양의 집광 형상의 내부에 있는 여기광만이 형광관측에 기여하게 되어, 형광을 발하는 영역이 제한되어, 결과적으로 회절 한계 이하의 초해상도를 얻을 수 있다.

이와 같은 STED 현미경에 있어서의 문제점으로서는, 여기광과 제어광의 고(高)NA대물 렌즈하에서의 광축 방향도 포함한 위치 조정, 긴 계측 시간, 파장 가변 레이저 등으로부터 출력되는 다양한 파장에 대해서, 각각 링 모양의 제어광을 생성하기 위한 위상 변조, 복잡한 구성에 의한 광학계의 대형화 등을 들 수 있다. 이것에 대해서, 레이저광의 집광 제어를, 각 집광점, 파장에 대해서 충분한 자유도로 실현하는 것이 가능한 상기 구성의 레이저광 조사 장치(1A)에 의하면, 광원의 수보다도 적은 수의 SLM를 이용하여 광학계를 구축할 수 있어, 초해상도 현미경의 구성의 간단화, 조작성의 향상 등의 효과가 얻어진다. 또, 이와 같은 효과는, 레이저 가공 장치 등에 있어서도 마찬가지로 얻어진다.

도 1, 도 2에 도시된 레이저광 조사 장치(1A) 및 광변조 제어 장치(30)에 있어서 실행되는 광변조 제어 방법, 및 변조 패턴의 설계 방법에 대해서, 그 구체적인 예와 함께 추가로 설명한다. 도 3은 도 2에 도시된 광변조 제어 장치(30)에 있어서 실행되는 광변조 제어 방법의 일 예를 나타내는 순서도이다.

도 3에 도시된 제어 방법에서는, 우선, 레이저 광원 유니트(10)로부터 공급되는 레이저광의 대상물(42)로의 조사 조건에 대한 정보를 취득한다(스텝 S101). 구체적으로는, 레이저광의 파장의 개수 x_t, 및 x_t개의 파장 λ_x=λ1, …, λ_xt의 각각의 값을 포함하는 레이저광의 정보를 취득한다(S102). 파장의 개수 x_t는 파장마다 개별의 레이저 광원을 이용하는 경우에는, 레이저 광원의 개수이다. 또, 상기 이외에도, 예를 들면 대물 렌즈(25)의 NA, 초점 거리 f 등, CGH의 도출에 있어서 필요한 정보가 있으면, 레이저광의 정보에 더하여 취득해 둔다.

또, 레이저 광원 유니트(10)로부터 공급되는 레이저광의 공간광 변조기(20)로의 입사 조건을, 각 파장 λ_x에 대해서 취득한다(S103). 이 경우의 입사 조건으로서는, 예를 들면 파장 λ_x의 레이저광의 공간광 변조기(20)로의 입사 패턴이 있다. 입사 패턴은 공간광 변조기(20)의 2차원 배열된 복수의 화소에서의 위치(x_j, y_j)의 화소 j에 대한 입사 레이저광 강도

I_in(x_j, y_j, λ_x)=I_j _－ _in _{, x}

에 의한 입사광 강도 분포로서 주어진다. 혹은, 진폭 A_j _－ _in _{, x}에 의한 입사광 진폭 분포로서, 레이저광의 입사 패턴을 취득해도 좋다. 또, 필요한 경우에는, 레이저광의 입사 위상φ_j- _in _{, x}에 대해서도 마찬가지로 취득한다.

다음으로, 조사 대상물(42)에 대한 레이저광의 집광 조건을 설정한다(S104). 우선, 공간광 변조기(20)에서 위상 변조된 레이저광을 조사 대상물(42)에 대해서 집광 조사하는 단일 또는 복수의 집광점의 개수 s_t를 설정한다(S105). 여기서, 상기 구성에 의한 레이저광 조사 장치(1A)에서는, 공간광 변조기(20)에 제시하는 변조 패턴에 의해, 필요에 따라서 복수의 집광점을 얻는 것이 가능하다.

또, 대상물(42)에 대한 s_t개의 집광점 s=1, …, s_t의 각각에 대해서, 레이저광의 집광 위치 γ_s=(u_s, v_s, z_s), 집광시키는 레이저광의 단일 또는 복수의 파장 λ_x, 및 소망한 집광 강도 I_s _－ _des _{, x}를 설정한다(S106). 또한, 집광시키는 레이저광의 파장에 대해서는, 각 집광점 s에 대해서 단일의 파장을 대응시키는 경우에는, 그 파장을 λ_s로서, 집광 파라미터 γ_s=(u_s, v_s, z_s, λ_s)를 설정해도 좋다. 또, 각 집광점으로의 레이저광의 집광 강도에 대해서는, 강도의 절대치에 의한 설정에 한정하지 않고, 예를 들면 강도의 상대적 비율에 따라서 설정해도 좋다.

이어서, s_t개의 집광점 s 각각에 대해서, 파장 λ_x의 레이저광에 대해서 부여하는 위상 패턴으로서, 레이저광의 집광 상태를 제어하는 집광 제어 패턴을 설정한다(S107). 그리고 스텝 S107에서 설정된 집광 제어 패턴을 고려하여, 스텝 S101, S104에서 취득, 설정된 레이저광의 조사 조건, 집광 조건을 참조하여, 공간광 변조기(SLM)(20)에 제시하는 변조 패턴이 되는 CGH를, 집광 제어 패턴의 역 위상 패턴을 더한 전파 함수를 이용하여 설계한다(S108).

도 3의 순서도의 스텝 S108에 있어서 실행되는 변조 패턴의 설계 방법에 대해서, 구체적으로 설명한다. 이하에 있어서는, SLM(20)의 복수의 화소에 제시되는 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 영향에 주목한 설계 방법의 예로서, ORA법을 이용한 설계 방법에 대해서 설명한다(특허 문헌 3, 비특허 문헌 1, 2 참조).

여기서, 일반적으로, SLM에서의 변조 패턴으로서 이용되는 CGH의 설계 방법은 다수 있는데, 예를 들면 반복 푸리에법 등을 들 수 있다. 우선, 반복 푸리에 변환법은, SLM면과 회절면의 2개의 면을 준비하고, 각 면의 사이에서 푸리에 변환 및 역푸리에 변환으로 광을 전파시킨다. 그리고 전파마다 각 면의 진폭 정보를 치환(置換)하여, 최종적으로 위상 분포를 취득하는 방법이다.

또, 다른 CGH 설계법으로서는, 광선 추적법 및 1화소의 영향에 주목한 설계 방법의 2개를 들 수 있다. 광선 추적법으로서는, 렌즈의 중첩법(S법：Superposition of Lens)이 있다. 이 방법은, 집광점으로부터의 파면(波面)의 겹침이 적은 경우에는 유효하지만, 파면의 겹침이 증가하면, SLM에 입사하는 레이저광 강도 중에서 집광점에 전파하는 광의 강도가 현저하게 저하되거나, 혹은 제어할 수 없게 되는 경우가 있다. 이 때문에, S법을 개량한 반복 S법이 있다.

한편, CGH의 1화소의 영향에 주목하는 설계법은, CGH의 1화소를 적당히 선택하고, 1화소마다 위상값을 변경하여 CGH의 설계를 행해 가는 방법으로, 1화소의 위상의 결정 방법에 따라서 탐색형 방법과 해석형 방법이 있다.

이 설계법에서는, CGH의 어느 1화소의 위상값을 파라미터로서 변경해, 프레넬 회절 등에 의한 파동 전파 함수를 이용하여 변조 레이저광을 전파시켜, 소망한 집광점에 있어서의 집광 상태를 나타내는 값(예를 들면 진폭, 강도, 복소 진폭의 값)이 어떻게 변화하는지를 조사한다. 그리고 집광점으로의 집광 상태가 소망한 결과에 가까워지는 위상값을 채용한다. 이와 같은 조작을 1화소씩, 적어도 광이 입사되는 모든 화소에서 행한다.

모든 화소에서 조작이 종료된 후에, 해석형 방법에서는, 모든 화소를 위상 변조한 결과로, 소망한 위치의 위상이 어떻게 변화하는지 확인한 후에, 처음 1화소째로 돌아가 소망한 위치의 위상을 이용하여, 1화소씩 위상의 변경을 행한다. 또, 탐색형 방법에서는, 확인은 행하지 않고 처음 1화소째로 돌아간다. 탐색형 방법으로서는, 예를 들면, 힐 클라이밍 법, 시뮬레이트 어널링 방법(SA：Simulated Annealing), 유전적 알고리즘(GA：Genetic Algorithm) 등이 있다(비특허 문헌 3, 4 참조).

이하에 설명하는 ORA(Optimal Rotation Angle) 법은, 해석형 방법을 이용한 최적화 알고리즘이다. 이 방법에서는, 변조 패턴의 각 화소에 있어서의 위상값의 변경, 조정은, 집광점 s에서의 집광 상태를 나타내는 복소 진폭의 위상φ_{s, x}, 전파 함수의 위상φ_js _{, x}, 화소 j에서의 변경전의 위상값 φ_{j, x}, 및 레이저광의 입사 위상φ_j- _in _{, x}에 기초하여, 해석적으로 구해진 값에 의해서 행해진다. 특히, 본 실시 형태에 있어서의 설계 방법에서는, 파동 전파 함수로서, 통상의φ_js _{, x}에 대신하여, 집광 제어 패턴의 역 위상 패턴을 더한 전파 함수 φ_js _{, x}＇가 이용된다.

도 4는 도 2에 도시된 광변조 제어 장치(30)에 있어서 실행되는 변조 패턴의 설계 방법의 일 예를 나타내는 순서도이다. 우선, 공간광 변조기(20)를 통하여 행해지는 조사 대상물(42)로의 레이저광의 집광 조사에 대해서, 설정된 집광 조건의 정보를 취득한다(스텝 S201). 여기서 취득되는 집광 조건으로서는, 집광점의 개수 s_t, 각 집광점 s의 집광 위치 γ_s=(u_s, v_s, z_s), 집광시키는 레이저광의 파장 λ_x, 및 소망한 집광 강도 I_s _－ _des _{, x}가 있다.

다음으로, SLM(20)에 제시하는 변조 패턴으로서 이용되는 CGH의 설계의 초기 조건이 되는 위상 패턴을 작성한다(S202). 이 위상 패턴은, 예를 들면, CGH의 화소 j에 있어서의 위상값 φ_j를 랜덤 위상 패턴으로 하는 방법에 의해서 작성된다. 이 방법은, ORA에 의한 CGH 설계가 최적화 수법이기 때문에, 랜덤 위상에 의해서 특정의 극소 해(解)에 빠지는 것을 방지하는 목적으로 이용된다. 또한, 특정의 극소 해에 빠질 가능성을 무시해도 좋은 경우에는, 예를 들면 균일한 위상 패턴 등으로 설정해도 좋다. 또, 복수 파장의 레이저광의 집광 조사를 행하는 경우에는, 레이저광의 파장 λ₁~ λ_xt 중 소정의 파장 λ_a를 기준 파장으로 설정하고, 이 기준 파장 λ_a에 대한 위상값 φ_{j, a}를 설정한다.

이어서, 집광점의 개수가 복수(s_t≥2)로 설정되어 있는 경우, 그들 집광점 s=1 ~ s_t 사이의 집광 강도비를 조정하기 위한 파라미터인 웨이트 w_s _{, x}를, 그 초기 조건으로서 w_s _{, x}=1로 설정한다(S203). 또한, 이 웨이트 w_s _{, x}는, 파장의 개수 x_t분 (레이저 광원의 개수분) 존재하고, 각각 1×s_t의 배열이 된다. 또, 집광점이 단일(s_t=1)인 경우에는, 웨이트 w_s _{, x}의 설정은 불필요하다. 또, 파장의 개수가 복수(x_t≥2)로 설정되어 있는 경우, 복수의 파장 사이의 광량비(光量比)를 조정하기 위한 파라미터인 웨이트 W_x를, 그 초기 조건으로서 W_x=1로 설정한다.

CGH의 위상 패턴 φ_{j, a}, 및 웨이트 w_s _{, x}, W_x의 설정을 종료하면, 집광점 s에 있어서의 레이저광의 집광 상태를 나타내는 복소 진폭 U_s _{, x}를 산출한다(S204). 구체적으로는, 파장 λ_x의 레이저광에 대해서, 광파 전파를 나타내는 하기의 식 (1)

[수 1]

에 의해서, 파장 λ_x의 레이저광이 집광점 s에 대해서 미치는 복소 진폭 U_s _{, x}=A_{s, x}exp(iφ_{s, x})를 구한다.

여기서, A_j _－ _in _{, x}는 SLM(20)의 화소 j로의 파장 λ_x의 레이저광의 입사 진폭이고,φ_j- _in _{, x}는 파장 λ_x의 레이저광이 화소 j에 입사하는 초기 위상이다. 또,φ_{j, x}는 화소 j에서의 파장 λ_x의 레이저광에 대한 위상값이다. 이 위상값 φ_{j, x}는 상기한 기준 파장 λ_a에 대한 위상값 φ_{j, a}로부터 하기의 식 (2)

[수 2]

에 의해서 구해진다.

또한, 이 식 (2)에 있어서, τ(λ_a, λ_x)는 파장 분산 등을 고려한 보정식 (보정 계수)이다. 예를 들면, SLM(20)을, 액정을 이용한 LCOS－SLM로 했을 경우, 액정의 복굴절(複屈折) 특성을 이용하여 레이저광의 위상의 변조를 행하지만, 액정의 복굴절율은, 파장 λ에 대해서 선형(線形)은 아니다. 이에, 위상값의 변환에 있어서, 액정의 복굴절 특성 등을 고려한 보정식으로서, 상기한 τ(λ_a, λ_x)가 이용된다.

또, 식 (1)에 있어서,φ_js _{, x}＇는 파장 λ_x의 레이저광에 대해서 설정된 집광 제어 패턴 φ_js _- _pat _{, x}의 역 위상 패턴을 더한 전파 함수로서,

[수 3]

에 의해서 구해진다.

또한, 집광 제어용의 위상 패턴 φ_js _- _pat _{, x}는, 집광점 s에 있어서 설정해야 할 파장 λ_x의 레이저광의 집광 패턴에 대응하고 있다. 구체적으로는, 이와 같은 집광 제어 패턴으로서는, 예를 들면, 랑게르 다항식이나 헤르미이트(Hermitian) 다항식 등의 다항식으로 표현되는 위상 패턴, 제르니케(Zernike) 다항식이나 르장드르(Legendre) 다항식으로 표현되는 위상 패턴, 다점 집광시키는 CGH 패턴, 혹은, 집광 위치, 집광 형상을 변화시키는 CGH 패턴 등을 이용할 수 있다.

이와 같이, 집광 제어 패턴의 역 위상 패턴을 더한 전파 함수 φ_js _{, x}＇를 이용함으로써, 각 집광점 s, 파장 λ_x에 대해서 설정된 집광 제어 패턴을, 최종적으로 얻어지는 변조 패턴에 확실히 반영시킬 수 있다. 예를 들면, 집광 제어 패턴을 파장마다 다르게 함으로써, 파장마다 다른 임의의 위상 패턴을 주는 것이 가능한 CGH가 얻어진다. 또,φ_js _{, x}는 자유 전파를 가정했을 경우의 유한원(有限遠) 영역에서의 전파 함수이다. 이 전파 함수 φ_js _{, x}로서는, 예를 들면 하기의 식 (4)

[수 4]

로 주어지는 파동 전파 함수의 근사식인 프레넬 회절을 이용할 수 있다. 여기서, 상기의 식 (4)에 있어서, n₁은 공기나 물, 기름 등의 분위기(雰圍氣) 매질의 굴절률, f는 초점 거리이다. 또, 이 식 (4)로부터, 이상적인 전파 함수 φ_js _{, x}가 파장 λ_x에 따라서 다른 것을 알 수 있다.

또한, 자유 전파의 전파 함수 φ_js _{, x}로서는, 예를 들면, 상기한 프레넬 회절의 근사식이나 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절의 근사식, 혹은 헬름홀츠 방정식의 해 등, 여러가지 표현식을 이용할 수 있다. 또, 상기한 복소 진폭의 식 (1), 전파 함수의 식 (3)에 있어서, 파동 전파 함수에 더하는 집광 제어 패턴을 φ_js _- _pat _{, x}=0 이라고 하면, 전파 함수는φ_js _{, x}＇=φ_js _{, x}가 되어, 종래의 ORA법에서 이용되고 있는, 통상의 복소 진폭의 산출식이 얻어진다.

이어서, 상기 방법에 의한 CGH의 설계에 있어서, 소망한 결과가 얻어져 있는지 여부를 판정한다(S205). 이 경우의 판정 방법으로서는, 예를 들면, 각 집광점 s에서 파장 λ_x의 광에 의해서 얻어진 집광 강도 I_{s, x}=｜A_{s, x}｜²와 소망한 강도 I_{s-des, x}를, 하기의 식 (5)

[수 5]

에 의해서 비교하여, 모든 집광점 s, 파장 λ_x에 대해서, 강도비가 소정의 값 ε로 되어 있는지에 따라서 판정하는 방법을 이용할 수 있다. 또, 집광 강도 I_s _{, x}가 아니고, 진폭 A_s _{, x}, 복소 진폭 U_s _{, x}등에 의해서 판정을 행해도 좋다.

혹은, 도 4의 순서도에 있어서, 위상값의 변경, 및 복소 진폭의 산출 등의 루프가 규정 횟수 행해졌는지, 등의 조건에 의해서 판정하는 방법을 이용해도 좋다. 설정된 집광 조건에 대해, 설계된 CGH가 필요한 조건을 충족하고 있다고 판정되었을 경우에는, ORA에 의한 CGH의 설계 알고리즘을 종료한다. 또, 조건을 충족하지 않은 경우에는, 다음의 스텝 S206으로 진행된다.

설계 종료에 필요한 조건을 충족하지 않았다고 판정되었을 경우, 우선, 집광점 s간의 집광 강도비를 조정하기 위한 웨이트 w_s _{, x}, 및 복수의 파장 λ_x간의 광량비를 조정하기 위한 웨이트 W_x의 값을, 하기의 식 (6), (7), (8)

[수 6]

[수 7]

[수 8]

에 의해서 변경한다(S206).

여기서, 식 (7)의 W_a는, 기준 파장 λ_a에 있어서의 웨이트이다. 또, 식 (6)에 있어서 웨이트 w_s _{, x}의 갱신에 이용되고 있는 파라미터 η, 및 식 (8)에 있어서 웨이트 W_x의 갱신에 이용되고 있는 파라미터 q는, ORA 알고리즘이 불안정하게 되는 것을 방지하기 위해서, 통상, 관습적으로 η=0.25 ~ 0.35 정도, q=0.25 ~ 0.35 정도의 값이 이용되고 있다. 또, 식 (8)에 있어서, Ix^ave는, 파장 λ_x에서의 모든 점의 강도의 평균이다.

다음으로, 집광점 s에 있어서의 레이저광의 집광 상태가 소망한 상태에 가까워지도록, CGH의 화소마다 위상값의 변경 조작을 행한다(S207). 해석형의 ORA법에서는, 집광 상태를 소망한 상태에 접근하기 위해서 화소 j의 위상값 φ_{j, a}에 더하는 위상의 변화량 Δφ_{j, a}를, 식 (1)에서 얻어진 복소 진폭의 위상φ_{s, x}, 집광 제어 패턴의 역 위상 패턴을 더한 전파 함수의 위상φ_js _{, x}＇, 갱신전의 위상값 φ_{j, x}, 및 레이저광의 입사 위상φ_j- _in _{, x}를 이용하여, 하기의 식 (9)

[수 9]

와 같은 판정에 의해서 해석적으로 구한다. 여기서,

[수 10]

[수 11]

[수 12]

이다. 이와 같이 해석적으로 위상값을 구하는 방법에서는, 탐색에 의해서 위상값을 구하는 힐 클라이밍 법 등의 방법에 비해, 연산에 필요로 하는 시간이 짧아진다고 하는 이점이 있다.

또한, 위상의 변화량 Δφ_{j, a}의 결정에 이용되는φ_js _{, x}에 대해서는, 통상의 ORA법에서는, 하기의 식 (13)

[수 13]

이 이용되지만, 여기서 설명하는 개량 ORA법에서는, 상기한 전파 함수의 변경에 더하여, 위상값의 갱신에 있어서의 이φ_js _{, x}의 산출에 있어서도, 임의의 집광 제어 패턴의 역 위상 패턴(-φ_js _- _pat _{, x})을 부여한 식 (12)을 이용하고 있다.

상기와 같이, 위상의 변화량 Δφ_{j, a}가 구해지면, 하기의 식 (14)

[수 14]

에 의해서, CGH의 j번째의 화소에 있어서의 위상값 φ_{j, a}를 변경, 갱신한다. 또, 이때, 각 파장 λ_x에 대한 위상값 φ_{j, x}는 식 (2)에 의해서 구해진다.

그리고 위상값의 변경 조작이 모든 화소에서 행해졌는지 여부를 확인하고(S208), 변경 조작이 종료되어 있지 않으면, j=j＋1로 하고, 다음의 화소에 대해서, 위상값의 변경 조작을 실행한다. 반면, 모든 화소에 대해서 변경 조작이 종료되어 있으면, 스텝 S204로 돌아가 복소 진폭 U_s _{, x}의 산출, 및 거기에 따른 레이저광의 집광 상태의 평가를 행한다. 이와 같은 조작을 반복하여 실행함으로써, 설정된 집광 조건에 대응하는 변조 패턴의 CGH가 작성된다.

상기와 같이, 집광 제어 패턴의 역 위상 패턴을 더한 전파 함수를 이용하여 CGH를 설계하면, 파장마다, 혹은 집광점마다 임의의 위상 패턴을 주고, 다른 조건에서의 집광 제어를 고정밀도로 행할 수 있다. 예를 들면, 복수 파장의 레이저광의 집광 제어에 있어서는, 그 집광 위치나 집광 형상 등을 파장마다 적극적으로 바꿀 수 있다.

또, 집광점의 위치 조정이나 집광 형상 조정, 다점 집광 등을 행하는 CGH를, 집광 제어 패턴에 부여하는 방법은, 다음과 같은 이점이 있다. 즉, ORA법에 따른 CGH의 설계는, 1화소마다 위상값을 바꾸어 가기 때문에, 반복 푸리에법 등의 설계 방법에 비하면 설계 시간이 걸린다. 또, 그 설계 시간은, 레이저광의 집광 조사에 있어서의 재생 점수에도 의존한다. 이것에 대해서, 미리 위치 조정, 다점 집광 등을 행하는 CGH를 설계해 두고, 그 역 위상 패턴을 전파 함수에 부여하는 방법에서는, 그 위상 패턴에 의해서 재생되는 다점(多点)은 1개의 그룹으로 간주된다. 따라서 재생 점수로부터 재생 그룹수로, 평가하는 집광점수를 줄일 수 있어, CGH의 설계 시간의 단축화를 도모할 수 있다. 또한, 그룹간에서의 재생 점수의 차를 미리 평가해 둘 필요가 있다.

이에 더하여, 제시하는 변조 패턴을 동적으로 전환하는 것이 가능한 공간광 변조기를 이용하는 경우에는, 집광점의 깊이 방향의 위치 등에 대해서도, 피드백 제어 등을 행함으로써, 위치 맞춤이 용이하다. 또, 예를 들면, 공간광 변조기를 이용하여 단일의 광원으로부터 복수 개의 집광점을 작성시켜, 그것에 대응하여 복수의 검출기를 준비함으로써, 계측 시간의 단축을 도모하는 것도 가능하다.

또한, 상기한 구체적인 예에서는, 화소 j의 위상값에 더하는 변화량 Δφ_{j, a}를, 식 (9) ~ 식 (12)에 의해서 해석적으로 구하고 있지만, 이 위상 변화량의 산출 에 대해서는, 구체적으로는 상기 이외 방법을 이용해도 좋다. 예를 들면, 하기의 식 (15)

[수 15]

에 의해서, 파장 λ_x마다 위상 Δφ_{j, x}를 구하는 방법을 이용해도 좋다. 여기서,

[수 16]

[수 17]

이다. 또,φ_js _{, x}에 대해서는, 식 (12)에 나타낸 것을 이용한다.

또, 이 경우, 위상값 φ_{j, a}는, 하기의 식 (18)

[수 18]

에 의해서 변경, 갱신된다. 또한, 이 식 (18)에 있어서, κ(λ_a, λ_x)는 파장마다 다른 위상 변화량 Δφ_{j, x}를 조정하기 위한 파라미터이다. 이 파라미터에 대해서는, 불필요하면 이용하지 않아도 좋다.

상기 실시 형태의 광변조 제어 장치(30), 및 레이저광 조사 장치(1A)에 의한 레이저광의 집광 제어의 효과에 대해서, 그 구체적인 예와 함께 설명한다. 여기에서는, 도 5에 도시된 광학계에 의해서 레이저광 조사 장치(1B)를 구성하고, 이 레이저광 조사 장치(1B)를 이용하여 집광 제어에 대한 확인 실험을 행했다.

도 5에 도시된 구성에 있어서, 레이저 광원 유니트(10)는, 파장 532nm의 레이저광을 공급하는 레이저 광원(11)과, 파장 633nm의 레이저광을 공급하는 레이저 광원(12)에 의해서 구성되어 있다. 레이저 광원(11)으로부터의 레이저광은, 스페이셜 필터(51), 콜리메이터 렌즈(53)에 의해서 넓혀져서, 미러(55)에 의해서 반사된 후, 다이크로익 미러(56)에 의해서 반사된다. 또, 레이저 광원(12)으로부터의 레이저광은, 스페이셜 필터(52), 콜리메이터 렌즈(54)에 의해서 넓혀진 후, 다이크로익 미러(56)를 투과한다. 이것에 의해, 다이크로익 미러(56)에 있어서 레이저 광원(11, 12)으로부터의 레이저광 빔이 합파된다.

다이크로익 미러(56)로부터의 레이저광은, 하프 미러(57)를 투과하여, 반사형의 공간광 변조기(20)에 의해서 위상 변조된다. 그리고 공간광 변조기(20)로부터의 반사 레이저광은, 하프 미러(57)에 의해서 반사되어, 렌즈(58)를 통하여 카메라(60)에 의해서 그 집광상이 촬상된다. 이 레이저광의 집광상에 의해, 공간광 변조기(20)에 의한 집광 제어를 확인할 수 있다.

또, 공간광 변조기(20)에 있어서 레이저광에 부여하는 위상 패턴에 의한 집광 제어 조건에 대해서는, 파장 532nm의 레이저광과 파장 633nm의 레이저광으로, 시인성을 좋게 하기 위해서 집광 위치(재생 위치)를 겹치지 않게 함과 아울러, 파장 532nm의 레이저광을 가우스(Gauss) 모양으로 집광하고, 파장 633nm의 레이저광을 링 모양으로 집광하는 조건을 이용한다.

또한, 레이저광을 링 모양으로 집광하기 위해서 SLM에 표시해야 할 집광 제어용의 위상 패턴으로서는, 예를 들면, 도 6에 도시한 랑게르가우시안(LG) 빔의 위상 패턴을 이용할 수 있다. 도 6의 위상 패턴에 있어서, 백(白) ~ 흑(黑)은, 어느 파장 λ에 있어서의 위상값 0 ~ 2π(rad)를 나타내고 있고, 소정의 위치를 중심으로 위상이 0 ~ 2π(rad)까지 나선 모양으로 회전하는 패턴으로 되어 있다. 또, 이와 같은 위상 패턴은 랑게르 다항식을 이용해도 표현할 수 있다(비특허 문헌 6 참조).

도 7은, 이와 같은 구성, 설정에 의해서 얻어진 레이저광의 집광상을 나타내고 있다. 이 도 7에 도시된 바와 같이, 상기한 방법으로 설계된 변조 패턴에 의해, 파장 532nm의 레이저광의 가우스 모양의 집광 스포트와, 파장 633nm의 레이저광의 링 모양의 집광 스포트를, 각각 매우 적합하게 재생할 수 있다. 또, 이와 같은 집광 제어 조건은, 집광 위치를 일치시킴으로써, STED 현미경에 적용하는 것이 가능하다.

도 3의 순서도의 스텝 S108에 있어서 실행되는 변조 패턴의 설계 방법에 대해서, 추가로 설명한다. 도 4의 순서도에서는, CGH의 1화소의 영향에 주목한 설계법의 예로서, 해석형의 ORA법을 이용한 설계 방법을 나타냈다. 이것에 대해서, 변조 패턴의 설계 방법으로서는, 상술한 바와 같이, 힐 클라이밍 법, 시뮬레이트 어널링 방법, 유전적 알고리즘 등의 탐색형의 설계 방법을 이용하는 것도 가능하다.

도 8은 도 2에 도시된 광변조 제어 장치(30)에 있어서 실행되는 변조 패턴의 설계 방법의 다른 예를 나타내는 순서도이다. 이 순서도에서는, 탐색형의 설계 방법의 예로서, 힐 클라이밍 법을 이용했을 경우의 설계 방법을 나타내고 있다. 이 방법에서는, 우선, 상기한 ORA법과 마찬가지로, SLM(20)을 통하여 행해지는 조사 대상물(42)로의 레이저광의 집광 조사에 대해서, 설정된 집광 조건의 정보를 취득한다(스텝 S301). 다음으로, SLM(20)에 제시하는 CGH 설계의 초기 조건의 위상 패턴을, 예를 들면 랜덤 위상 패턴으로서 작성한다(S302).

이어서, CGH의 1화소의 위상값의 변경 조작을 행한다(S303). 또한, 집광 제어 패턴의 역 위상 패턴을 더한 전파 함수 φ_js _{, x}＇를 포함한 식 (1)을 이용하여, 집광점 s에 있어서의 레이저광의 집광 상태를 나타내는 복소 진폭 U_s _{, x}=A_s _{, x}exp(iφ_{s, x})를 산출한다(S304). 복소 진폭 U_s _{, x}를 산출하면, 얻어진 집광 상태에 대해서, 판정을 행한다(S305).

여기에서는, 변조 패턴의 1화소의 위상값의 전환에 의해, 진폭 A_s _{, x}, 강도 I_{s, x}=｜A_s _{, x}｜², 또는 복소 진폭 U_s _{, x}가 소망한 값에 가까워져 있으면, 그때의 위상값을 채용한다. 힐 클라이밍 법에서는, 예를 들면, CGH의 1화소 마다의 위상값을 0.1π(rad)씩 0π(rad)에서부터 소정의 위상값까지, 예를 들면 2π(rad)까지 전환하고, 전환했을 때마다 식 (1)을 이용하여, 전파를 행한다. 그리고 집광점 s의 강도가 가장 증가하는 위상값을 탐색으로 구한다.

이어서, 1화소의 위상값의 전환을, 모든 조건에서 확인했는지 여부를 판정하고(S306), 행하고 있지 않다면 스텝 S303로 돌아간다. 또한, 1화소의 위상값의 변경, 및 집광 상태의 판정 등의 조작을 모든 화소에서 행해졌는지 여부를 판정하고(S307), 행하고 있지 않다면 화소 번호를 j=j＋1로 하고 스텝 S303으로 돌아가, 다음의 화소에 대해서 필요한 조작을 행한다.

모든 화소에 대해서 필요한 조작을 종료하고 있으면, CGH의 설계에 있어서, 소망한 결과가 얻어져 있는지 여부를 판정한다(S308). 이 경우의 판정 방법으로서는, ORA법의 경우와 마찬가지로, 예를 들면, 각 집광점에서 얻어진 집광 강도, 진폭, 복소 진폭 등의 값이 허용 범위 내에 들어가 있는지 여부에 의해서 판정하는 방법을 이용할 수 있다. 혹은, 도 8의 순서도에 있어서, 위상값의 변경, 및 집광 상태의 판정 등의 루프가 규정 횟수 행해졌는지, 등의 조건에 의해서 판정하는 방법을 이용해도 좋다. 필요한 조건을 충족하고 있는 경우에는, CGH의 설계 알고리즘을 종료한다. 조건을 충족하지 않은 경우에는, 스텝 S303으로 돌아가 1화소째부터 탐색을 반복한다.

본 발명에 의한 광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 제어 장치, 및 레이저광 조사 장치는, 상기 실시 형태 및 구성예에 한정되는 것이 아니고, 여러가지 변형이 가능하다. 예를 들면, 레이저 광원, 및 공간광 변조기를 포함하는 광학계의 구성에 대해서는, 도 1에 도시된 구성예에 한정하지 않고, 구체적으로는 여러가지 구성을 이용해도 좋다.

또, 상기 실시 형태에서는, 집광 제어를 행하는 레이저광의 파장의 개수가 복수인 경우를 주로 설명했지만, 단일 파장의 레이저광을 집광 조사하는 경우에 있어서도, 상기 구성에 의한 광변조 제어 방법을 매우 적합하게 적용하는 것이 가능하다. 이 경우, 예를 들면 상기한 ORA법에 있어서, 복수의 파장간의 광량비를 조정하기 위한 파라미터 W_x는, W_x=1로서 갱신되지 않는다. 단일 파장의 레이저광의 집광 조사인 경우, 예를 들면, 동일 파장으로, 집광점마다 다른 집광 패턴을 부여하는 것도 가능하다. 또, 레이저 광원의 개수에 대해서는, 예를 들면, 단일의 레이저 광원으로부터 복수의 파장의 레이저광을 공급하는 구성 등, 구체적으로는 여러가지 구성을 이용해도 좋다.

또, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴(CGH)의 설계에 대해서도, 구체적으로는 상기한 예 이외에도 여러가지 방법을 이용해도 좋다. 일반적으로는, 변조 패턴의 설계에 있어서, 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 소망한 상태에 가까워지도록 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 변조 패턴을 설계함과 아울러, 집광점에서의 집광 상태를 평가할 때에, 공간광 변조기의 변조 패턴에서의 화소 j에서부터 집광점 s로의 파장 λ_x의 광의 전파에 대해서, 집광 제어 패턴의 역 위상 패턴을 더한 전파 함수를 이용하고 있으면 좋다.

또, 복소 진폭 U_s _{, x}의 도출에 있어서, 그 식에 전파 함수

φ_js _{, x}＇=φ_js _{, x}-φ_js _- _pat _{, x}

를 대입하면,

U_s _{, x}=Σ_jA_j _- _in _{, x}exp｛i(φ_js _{, x}-φ_js _- _pat _{, x}＋φ_{j, x}＋φ_j- _in _{, x})｝

=Σ_jA_j _- _in _{, x}exp｛i(φ_js _{, x}＋φ_{j, x}＋φ_j- _in _{, x}-φ_js _- _pat _{, x})

가 된다. 이 식으로부터 알 수 있는 것처럼, 계산상은 (-φ_js _- _pat _{, x})을 입사 위상φ_j- _in _{, x}에 더하는 것에 의해서도, 마찬가지의 결과가 얻어진다. 이와 같은 방법은, 전파 함수 φ_js _{, x}에 (-φ_js _- _pat _{, x})를 더하는 방법과 등가이며, 따라서 본 발명은 이와 같은 구성도 포함한다.

상기 실시 형태에 의한 광변조 제어 방법에서는, (1) 레이저광을 입력하고, 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어 방법으로서, (2) 레이저광의 조사 조건으로서, 공간광 변조기로 입력하는 레이저광의 파장의 개수 x_t(x_t는 1 이상의 정수), x_t개의 파장 λ_x(x=1, …, x_t), 및 공간광 변조기로의 각 파장 λ_x의 레이저광의 입사 조건을 취득하는 조사 조건 취득 스텝과, (3) 레이저광의 집광 조건으로서, 공간광 변조기로부터의 레이저광을 집광 조사하는 집광점의 개수 s_t(s_t는 1 이상의 정수), 및 s_t개의 집광점 s(s=1, …, s_t) 각각에 대한 집광 위치, 집광시키는 레이저광의 파장 λ_x, 집광 강도를 설정하는 집광 조건 설정 스텝과, (4) s_t개의 집광점 s 각각에 대해서, 파장 λ_x의 레이저광에 대해서 부여하는 위상 패턴으로서, 그 집광 상태를 제어하는 집광 제어 패턴을 설정하는 제어 패턴 설정 스텝과, (5) 제어 패턴 설정 스텝에서 설정된 집광 제어 패턴을 고려하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴을 설계하는 변조 패턴 설계 스텝을 구비하고, (6) 변조 패턴 설계 스텝은, 공간광 변조기에 있어서 2차원 배열된 복수의 화소를 상정하여, 복수의 화소에 제시하는 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 소망한 상태에 가까워지도록 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 변조 패턴을 설계함과 아울러, 집광점에서의 집광 상태를 평가할 때에, 공간광 변조기의 변조 패턴에 있어서의 화소 j에서부터 집광점 s로의 파장 λ_x의 광의 전파에 대해서, 제어 패턴 설정 스텝에서 설정된 집광 제어 패턴 φ_js _- _pat _{, x}의 역 위상 패턴을 파동 전파 함수 φ_js _{, x}에 더한 전파 함수 φ_js _{, x}＇

φ_js _{, x}＇=φ_js _{, x}-φ_js _- _pat _{, x}

를 이용하는 구성으로 하고 있다.

또, 상기 실시 형태에 의한 광변조 제어 프로그램에서는, (1) 레이저광을 입력하고, 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어를 컴퓨터에 실행시키기 위한 제어 프로그램으로서, (2) 레이저광의 조사 조건으로서, 공간광 변조기로 입력하는 레이저광의 파장의 개수 x_t(x_t는 1 이상의 정수), x_t개의 파장 λ_x(x=1, …, x_t), 및 공간광 변조기로의 각 파장 λ_x의 레이저광의 입사 조건을 취득하는 조사 조건 취득 처리와, (3) 레이저광의 집광 조건으로서, 공간광 변조기로부터의 레이저광을 집광 조사하는 집광점의 개수 s_t(s_t는 1 이상의 정수), 및 s_t개의 집광점 s(s=1, …, s_t) 각각에 대한 집광 위치, 집광시키는 레이저광의 파장 λ_x, 집광 강도를 설정하는 집광 조건 설정 처리와, (4) s_t개의 집광점 s 각각에 대해서, 파장 λ_x의 레이저광에 대해서 부여하는 위상 패턴으로서, 그 집광 상태를 제어하는 집광 제어 패턴을 설정하는 제어 패턴 설정 처리와, (5) 제어 패턴 설정 처리에서 설정된 집광 제어 패턴을 고려하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴을 설계하는 변조 패턴 설계 처리를 컴퓨터에 실행시키고, (6) 변조 패턴 설계 처리는, 공간광 변조기에 있어서 2차원 배열된 복수의 화소를 상정하여, 복수의 화소에 제시하는 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 소망한 상태에 가까워지도록 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 변조 패턴을 설계함과 아울러, 집광점에서의 집광 상태를 평가할 때에, 공간광 변조기의 변조 패턴에 있어서의 화소 j에서부터 집광점 s로의 파장 λ_x의 광의 전파에 대해서, 제어 패턴 설정 처리에서 설정된 집광 제어 패턴 φ_{js-pat, x}의 역 위상 패턴을 파동 전파 함수 φ_js _{, x}에 더한 전파 함수 φ_js _{, x}＇

φ_js _{, x}＇=φ_js _{, x}-φ_js _- _pat _{, x}

를 이용하는 구성으로 하고 있다.

또, 상기 실시 형태에 의한 광변조 제어 장치에서는, (1) 레이저광을 입력하고, 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어 장치로서, (2) 레이저광의 조사 조건으로서, 공간광 변조기로 입력하는 레이저광의 파장의 개수 x_t(x_t는 1 이상의 정수), x_t개의 파장 λ_x(x=1, …, x_t), 및 공간광 변조기로의 각 파장 λ_x의 레이저광의 입사 조건을 취득하는 조사 조건 취득 수단과, (3) 레이저광의 집광 조건으로서, 공간광 변조기로부터의 레이저광을 집광 조사하는 집광점의 개수 s_t(s_t는 1 이상의 정수), 및 s_t개의 집광점 s(s=1, …, s_t) 각각에 대한 집광 위치, 집광시키는 레이저광의 파장 λ_x, 집광 강도를 설정하는 집광 조건 설정 수단과, (4) s_t개의 집광점 s 각각에 대해서, 파장 λ_x의 레이저광에 대해서 부여하는 위상 패턴으로서, 그 집광 상태를 제어하는 집광 제어 패턴을 설정하는 제어 패턴 설정 수단과, (5) 제어 패턴 설정 수단에서 설정된 집광 제어 패턴을 고려하여, 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴을 설계하는 변조 패턴 설계 수단을 구비하고, (6) 변조 패턴 설계 수단은, 공간광 변조기에 있어서 2차원 배열된 복수의 화소를 상정하여, 복수의 화소에 제시하는 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 집광점에 있어서의 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 소망한 상태에 가까워지도록 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 변조 패턴을 설계함과 아울러, 집광점에서의 집광 상태를 평가할 때에, 공간광 변조기의 변조 패턴에 있어서의 화소 j에서부터 집광점 s로의 파장 λ_x의 광의 전파에 대해서, 제어 패턴 설정 수단에서 설정된 집광 제어 패턴 φ_js _- _pat _{, x}의 역 위상 패턴을 파동 전파 함수 φ_js _{, x}에 더한 전파 함수 φ_{js, x}＇

φ_js _{, x}＇=φ_js _{, x}-φ_js _- _pat _{, x}

를 이용하는 구성으로 하고 있다.

여기서, 상기한 광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 및 제어 장치에서는, 조사 조건의 취득에 있어서, 레이저광의 파장의 개수 x_t를 복수 개로서 설정하는 구성을 이용할 수 있다. 상기한 것처럼, 집광 제어 패턴의 역 위상 패턴을 더한 전파 함수를 이용하여 변조 패턴을 설계하는 방법은, 이와 같이 복수의 파장 성분을 포함하는 레이저광의 집광 조사 조건의 제어에 있어서, 특히 유효하다.

또, 상기와 같이 복수의 파장 성분을 포함하는 레이저광의 집광 조사를 행하는 경우, 광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 및 제어 장치는, 변조 패턴의 설계에 있어서, 공간광 변조기에 있어서의 굴절률의 파장 분산을 고려하여 변조 패턴을 설계하는 구성을 이용할 수 있다. 이것에 의해, 각 집광점 s에 있어서의 파장 λ_x의 레이저광의 집광 조사 조건을, 서로 다른 각 파장 λ_x에 대해서, 보다 정밀도 좋게 제어할 수 있다.

또, 광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 및 제어 장치는, 변조 패턴의 설계에 있어서, 공간광 변조기의 화소 j로의 파장 λ_x의 레이저광의 입사 진폭을 A_j _- _in _{, x}, 위상을 φ_j- _in _{, x}, 화소 j에서의 파장 λ_x의 레이저광에 대한 위상값을 φ_{j, x}로 하고, 하기 식

U_s _{, x}=A_s _{, x}exp(iφ_{s, x})

=Σ_jA_j _- _in _{, x}exp(iφ_js _{, x}＇)×exp(i(φ_{j, x}＋φ_j- _in _{, x}))

에 의해서, 집광점 s에 있어서의 파장 λ_x의 레이저광의 집광 상태를 나타내는 복소 진폭을 구하는 구성을 이용할 수 있다. 이것에 의해, 집광점 s에 있어서의 레이저광의 집광 상태를 매우 적합하게 평가할 수 있다.

변조 패턴의 설계에 있어서의 구체적인 구성에 대해서는, 변조 패턴의 화소 j에서의 위상값의 변경에 있어서, 집광점 s에 있어서의 파장 λ_x의 레이저광의 집광 상태를 나타내는 복소 진폭의 위상φ_{s, x}, 전파 함수 φ_js _{, x}＇, 화소 j에서의 변경 전의 위상값 φ_{j, x}, 및 레이저광의 입사 위상φ_{j-in, x}에 기초하여 해석적으로 구해진 값에 의해서, 위상값을 변경하는 구성을 이용할 수 있다. 이와 같이 해석적으로 위상값을 갱신하는 설계 방법으로서는, 예를 들면 ORA(Optimal Rotation Angle) 법이 있다.

혹은, 변조 패턴의 설계에 대해서, 변조 패턴의 화소 j에서의 위상값의 변경에 있어서, 힐 클라이밍 법, 시뮬레이트 어널링 방법, 또는 유전적 알고리즘 중 어느 방법을 이용하여 탐색으로 구해진 값에 의해서, 위상값을 변경하는 구성을 이용해도 좋다.

또, 광변조 제어 장치는, 공간광 변조기를 구동 제어하고, 변조 패턴 설계 수단에 의해서 설계된 변조 패턴을 공간광 변조기에 제시하는 광변조기 구동 제어 수단을 구비하는 구성으로 해도 좋다. 또, 이와 같은 광변조기 구동 제어 수단에 대해서는, 변조 패턴의 설계를 행하는 광변조 제어 장치와는 별개의 장치로서 마련되는 구성으로 해도 좋다.

상기 실시 형태에 의한 레이저광 조사 장치에서는, (a) x_t개(x_t는 1 이상의 정수)의 파장 λ_x의 레이저광을 공급하는 레이저 광원과, (b) 레이저광을 입력하고, 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기와, (c) 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 s_t개(s_t는 1 이상의 정수)의 집광점 s로의 각 파장 λ_x의 레이저광의 집광 조사를 제어하는 상기 구성의 광변조 제어 장치를 구비하는 구성으로 하고 있다.

[산업상의 이용 가능성]

본 발명은 레이저광의 집광 제어를 충분한 자유도로 매우 적합하게 실현하는 것이 가능한 광변조 제어 방법, 제어 프로그램, 제어 장치, 및 레이저광 조사 장치로서 이용 가능하다.

1A, 1B: 레이저광 조사 장치, 10: 레이저 광원 유니트,
11: 레이저 광원, 12: 레이저 광원,
13, 14: 빔 익스팬더, 15: 다이크로익 미러,
16: 미러, 18: 프리즘,
20: 공간광 변조기, 21: 미러,
22, 23: 4f 광학계 렌즈, 25: 대물 렌즈,
28: 광변조기 구동장치, 40: 가동 스테이지,
42: 조사 대상물, 45: 검출부,
46: 렌즈, 47: 다이크로익 미러,
51, 52: 스페이셜 필터(spatial filter)),
53, 54: 콜리메이터 렌즈(collimate lens),
55: 미러, 56: 다이크로익 미러,
57: 하프 미러, 58: 렌즈,
60: 카메라, 30: 광변조 제어 장치,
31: 조사 조건 취득부, 32: 집광 조건 설정부,
33: 집광 제어 패턴 설정부, 34: 변조 패턴 설계부,
35: 광변조기 구동 제어부, 37: 입력 장치,
38: 표시 장치.

Claims

레이저광을 입력하고, 상기 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하여, 상기 공간광 변조기에 제시(呈示)하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 상기 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어 방법으로서,
상기 레이저광의 조사 조건으로서, 상기 공간광 변조기로 입력하는 상기 레이저광의 파장의 개수 x_t(x_t는 1 이상의 정수), x_t개의 파장 λ_x, 및 상기 공간광 변조기로의 각 파장의 상기 레이저광의 입사 조건을 취득하는 조사 조건 취득 스텝과,
상기 레이저광의 집광 조건으로서, 상기 공간광 변조기로부터의 상기 레이저광을 집광 조사하는 상기 집광점의 개수 s_t(s_t는 1 이상의 정수), 및 s_t개의 집광점 s의 각각에 대한 집광 위치, 집광시키는 상기 레이저광의 파장 λ_x, 집광 강도를 설정하는 집광 조건 설정 스텝과,
상기 s_t개의 집광점 s 각각에 대해서, 파장 λ_x의 상기 레이저광에 대해서 부여하는 위상 패턴으로서, 그 집광 상태를 제어하는 집광 제어 패턴을 설정하는 제어 패턴 설정 스텝과,
상기 제어 패턴 설정 스텝에서 설정된 상기 집광 제어 패턴을 고려하여, 상기 공간광 변조기에 제시하는 상기 변조 패턴을 설계하는 변조 패턴 설계 스텝을 구비하고,
상기 변조 패턴 설계 스텝은, 상기 공간광 변조기에 있어서 2차원 배열된 복수의 화소를 상정하여, 상기 복수의 화소에 제시하는 상기 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 상기 집광점에 있어서의 상기 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 소망한 상태에 가까워지도록 상기 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 상기 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 상기 변조 패턴을 설계함과 아울러,
상기 집광점에서의 상기 집광 상태를 평가할 때에, 상기 공간광 변조기의 상기 변조 패턴에 있어서의 화소 j에서부터 상기 집광점 s로의 파장 λ_x의 광의 전파에 대해서, 상기 제어 패턴 설정 스텝에서 설정된 상기 집광 제어 패턴 φ_js _- _pat _{, x}의 역 위상 패턴을 파동 전파 함수 φ_js _{, x}에 더한 전파 함수 φ_js _{, x}＇
φ_js _{, x}＇=φj_s _{, x}-φ_js _- _pat _{, x}
를 이용하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 조사 조건 취득 스텝은, 상기 레이저광의 상기 파장의 개수 x_t를 복수 개로서 설정하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 스텝은, 상기 공간광 변조기에 있어서의 굴절률의 파장 분산을 고려하여 상기 변조 패턴을 설계하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 스텝은, 상기 공간광 변조기의 상기 화소 j로의 파장 λ_x의 상기 레이저광의 입사 진폭을 A_j _- _in _{, x}, 위상을 φ_j- _in _{, x}, 상기 화소 j에서의 파장 λ_x의 상기 레이저광에 대한 위상값을 φ_{j, x}로 하고, 하기 식
U_s _{, x}=A_s _{, x}exp(iφ_{s, x})
=Σ_jA_j _- _in _{, x}exp(iφ_js _{, x}＇)×exp(i(φ_{j, x}＋φ_j- _in _{, x}))
에 의해서, 상기 집광점 s에 있어서의 파장 λ_x의 상기 레이저광의 상기 집광 상태를 나타내는 복소 진폭을 구하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 방법.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 스텝은, 상기 변조 패턴의 상기 화소 j에서의 위상값의 변경에 있어서, 상기 집광점 s에 있어서의 파장 λ_x의 상기 레이저광의 상기 집광 상태를 나타내는 복소 진폭의 위상φs_{, x}, 상기 전파 함수 φ_js _{, x}＇, 상기 화소 j에서의 변경 전의 위상값 φ_{j, x}, 및 상기 레이저광의 입사 위상φ_j- _in _{, x}에 기초하여 해석적으로 구해진 값에 의해서, 상기 위상값을 변경하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 방법.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 스텝은, 상기 변조 패턴의 상기 화소 j에서의 위상값의 변경에 있어서, 힐 클라이밍 법, 시뮬레이트 어널링 방법, 또는 유전적 알고리즘 중 어느 방법을 이용하여 탐색으로 구해진 값에 의해서, 상기 위상값을 변경하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 방법.
레이저광을 입력하고, 상기 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하여, 상기 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 상기 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어를 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램으로서,
상기 레이저광의 조사 조건으로서, 상기 공간광 변조기로 입력하는 상기 레이저광의 파장의 개수 x_t(x_t는 1 이상의 정수), x_t개의 파장 λ_x, 및 상기 공간광 변조기로의 각 파장의 상기 레이저광의 입사 조건을 취득하는 조사 조건 취득 처리와,
상기 레이저광의 집광 조건으로서, 상기 공간광 변조기로부터의 상기 레이저광을 집광 조사하는 상기 집광점의 개수 s_t(s_t는 1 이상의 정수), 및 s_t개의 집광점 s의 각각에 대한 집광 위치, 집광시키는 상기 레이저광의 파장 λ_x, 집광 강도를 설정하는 집광 조건 설정 처리와,
상기 s_t개의 집광점 s 각각에 대해서, 파장 λ_x의 상기 레이저광에 대해서 부여하는 위상 패턴으로서, 그 집광 상태를 제어하는 집광 제어 패턴을 설정하는 제어 패턴 설정 처리와,
상기 제어 패턴 설정 처리에서 설정된 상기 집광 제어 패턴을 고려하여, 상기 공간광 변조기에 제시하는 상기 변조 패턴을 설계하는 변조 패턴 설계 처리를 컴퓨터에 실행시키고,
상기 변조 패턴 설계 처리는, 상기 공간광 변조기에 있어서 2차원 배열된 복수의 화소를 상정하여, 상기 복수의 화소에 제시하는 상기 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 상기 집광점에 있어서의 상기 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 소망한 상태에 가까워지도록 상기 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 상기 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 상기 변조 패턴을 설계함과 아울러,
상기 집광점에서의 상기 집광 상태를 평가할 때에, 상기 공간광 변조기의 상기 변조 패턴에 있어서의 화소 j에서부터 상기 집광점 s로의 파장 λ_x의 광의 전파에 대해서, 상기 제어 패턴 설정 처리에서 설정된 상기 집광 제어 패턴 φ_js _- _pat _{, x}의 역 위상 패턴을 파동 전파 함수 φjs, x에 더한 전파 함수 φ_js _{, x}＇
φ_js _{, x}＇=φ_js _{, x}-φ_js _- _pat _{, x}
를 이용하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 프로그램.
청구항 7에 있어서,
상기 조사 조건 취득 처리는, 상기 레이저광의 상기 파장의 개수 x_t를 복수 개로서 설정하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 프로그램.
청구항 8에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 처리는, 상기 공간광 변조기에 있어서의 굴절률의 파장 분산을 고려하여 상기 변조 패턴을 설계하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 프로그램.
청구항 7 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 처리는, 상기 공간광 변조기의 상기 화소 j로의 파장 λ_x의 상기 레이저광의 입사 진폭을 A_j _- _in _{, x}, 위상을 φ_j- _in _{, x}, 상기 화소 j에서의 파장 λ_x의 상기 레이저광에 대한 위상값을 φ_{j, x}로 하고, 하기 식
U_s _{, x}=A_s _{, x}exp(iφ_{s, x})
=Σ_jA_j _- _in _{, x}exp(iφ_js _{, x}＇)×exp(i(φ_{j, x}＋φ_j- _in _{, x}))
에 의해서, 상기 집광점 s에 있어서의 파장 λ_x의 상기 레이저광의 상기 집광 상태를 나타내는 복소 진폭을 구하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 프로그램.
청구항 7 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 처리는, 상기 변조 패턴의 상기 화소 j에서의 위상값의 변경에 있어서, 상기 집광점 s에 있어서의 파장 λ_x의 상기 레이저광의 상기 집광 상태를 나타내는 복소 진폭의 위상φ_{s, x}, 상기 전파 함수 φ_js _, _x', 상기 화소 j에서의 변경 전의 위상값 φ_{j, x}, 및 상기 레이저광의 입사 위상φ_j- _in _{, x}에 기초하여 해석적으로 구해진 값에 의해서, 상기 위상값을 변경하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 프로그램.
청구항 7 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 처리는, 상기 변조 패턴의 상기 화소 j에서의 위상값의 변경에 있어서, 힐 클라이밍 법, 시뮬레이트 어널링 방법, 또는 유전적 알고리즘 중 어느 방법을 이용하여 탐색으로 구해진 값에 의해서, 상기 위상값을 변경하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 프로그램.
레이저광을 입력하고, 상기 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기를 이용하여, 상기 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 집광점으로의 상기 레이저광의 집광 조사를 제어하는 광변조 제어 장치로서,
상기 레이저광의 조사 조건으로서, 상기 공간광 변조기로 입력하는 상기 레이저광의 파장의 개수 x_t(x_t는 1 이상의 정수), x_t개의 파장 λ_x, 및 상기 공간광 변조기로의 각 파장의 상기 레이저광의 입사 조건을 취득하는 조사 조건 취득 수단과,
상기 레이저광의 집광 조건으로서, 상기 공간광 변조기로부터의 상기 레이저광을 집광 조사하는 상기 집광점의 개수 s_t(s_t는 1 이상의 정수), 및 s_t개의 집광점 s의 각각에 대한 집광 위치, 집광시키는 상기 레이저광의 파장 λ_x, 집광 강도를 설정하는 집광 조건 설정 수단과,
상기 s_t개의 집광점 s 각각에 대해서, 파장 λ_x의 상기 레이저광에 대해서 부여하는 위상 패턴으로서, 그 집광 상태를 제어하는 집광 제어 패턴을 설정하는 제어 패턴 설정 수단과,
상기 제어 패턴 설정 수단에서 설정된 상기 집광 제어 패턴을 고려하여, 상기 공간광 변조기에 제시하는 상기 변조 패턴을 설계하는 변조 패턴 설계 수단을 구비하고,
상기 변조 패턴 설계 수단은, 상기 공간광 변조기에 있어서 2차원 배열된 복수의 화소를 상정하여, 상기 복수의 화소에 제시하는 상기 변조 패턴의 1화소에서의 위상값의 변경이 상기 집광점에 있어서의 상기 레이저광의 집광 상태에 주는 영향에 주목하여, 그 집광 상태가 소망한 상태에 가까워지도록 상기 위상값을 변경하고, 그러한 위상값의 변경 조작을 상기 변조 패턴의 모든 화소에 대해서 행함으로써 상기 변조 패턴을 설계함과 아울러,
상기 집광점에서의 상기 집광 상태를 평가할 때에, 상기 공간광 변조기의 상기 변조 패턴에 있어서의 화소 j에서부터 상기 집광점 s로의 파장 λ_x의 광의 전파에 대해서, 상기 제어 패턴 설정 수단에서 설정된 상기 집광 제어 패턴 φ_js _- _pat _{, x}의 역 위상 패턴을 파동 전파 함수 φ_js _{, x}에 더한 전파 함수 φ_js _{, x}＇
φ_js _{, x}＇=φ_js _{, x}-φ_js _- _pat _{, x}
를 이용하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 장치.
청구항 13에 있어서,
상기 조사 조건 취득 수단은, 상기 레이저광의 상기 파장의 개수 x_t를 복수 개로서 설정하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 장치.
청구항 14에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 수단은, 상기 공간광 변조기에 있어서의 굴절률의 파장 분산을 고려하여 상기 변조 패턴을 설계하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 장치.
청구항 13 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 수단은, 상기 공간광 변조기의 상기 화소 j로의 파장 λ_x의 상기 레이저광의 입사 진폭을 A_j _- _in _{, x}, 위상을 φ_j- _in _{, x}, 상기 화소 j에서의 파장 λ_x의 상기 레이저광에 대한 위상값을 φ_{j, x}로 하고, 하기 식
U_s _{, x}=A_s _{, x}exp(iφ_{s, x})
=Σ_jA_j _- _in _{, x}exp(iφ_js _{, x}＇)×exp(i(φ_{j, x}＋φ_j- _in _{, x}))
에 의해서, 상기 집광점 s에 있어서의 파장 λ_x의 상기 레이저광의 상기 집광 상태를 나타내는 복소 진폭을 구하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 장치.
청구항 13 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 수단은, 상기 변조 패턴의 상기 화소 j에서의 위상값의 변경에 있어서, 상기 집광점 s에 있어서의 파장 λ_x의 상기 레이저광의 상기 집광 상태를 나타내는 복소 진폭의 위상φ_{s, x}, 상기 전파 함수 φ_js _{, x}＇, 상기 화소 j에서의 변경 전의 위상값 φ_{j, x}, 및 상기 레이저광의 입사 위상φ_j- _in _{, x}에 기초하여 해석적으로 구해진 값에 의해서, 상기 위상값을 변경하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 장치.
청구항 13 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조 패턴 설계 수단은, 상기 변조 패턴의 상기 화소 j에서의 위상값의 변경에 있어서, 힐 클라이밍 법, 시뮬레이트 어널링 방법, 또는 유전적 알고리즘 중 어느 방법을 이용하여 탐색으로 구해진 값에 의해서, 상기 위상값을 변경하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 장치.
청구항 13 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공간광 변조기를 구동 제어하고, 상기 변조 패턴 설계 수단에 의해서 설계된 상기 변조 패턴을 상기 공간광 변조기에 제시하는 광변조기 구동 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 광변조 제어 장치.
x_t개(x_t는 1 이상의 정수)의 파장 λ_x의 레이저광을 공급하는 레이저 광원과,
상기 레이저광을 입력하고, 상기 레이저광의 위상을 변조하여, 위상 변조 후의 레이저광을 출력하는 위상 변조형의 공간광 변조기와,
상기 공간광 변조기에 제시하는 변조 패턴에 의해서, 설정된 s_t개(s_t는 1 이상의 정수)의 집광점 s로의 각 파장 λ_x의 상기 레이저광의 집광 조사를 제어하는 청구항 13 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 기재된 광변조 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저광 조사 장치.